07.04.2021 - Westfälische Wilhelms-Universität Münster (WWU)

Avance en la producción de estructuras moleculares tridimensionales

Nuevas dimensiones de la química orgánica gracias a la síntesis mediada por la luz

Uno de los principales objetivos de la química orgánica y medicinal en las últimas décadas ha sido la síntesis rápida de moléculas tridimensionales para el desarrollo de nuevos fármacos. Estos candidatos a fármacos presentan una serie de propiedades mejoradas en comparación con las estructuras moleculares predominantemente planas, que se reflejan en los ensayos clínicos con mayores tasas de eficacia y éxito. Sin embargo, con los métodos anteriores sólo podían producirse con un gran coste o no podían producirse en absoluto. Los químicos dirigidos por el profesor Frank Glorius (Universidad de Münster) y sus colegas, el profesor M. Kevin Brown (Universidad de Indiana Bloomington, EE.UU.) y el profesor Kendall N. Houk (Universidad de California, Los Ángeles, EE.UU.) han conseguido ahora convertir varias clases de moléculas planas que contienen nitrógeno en las estructuras tridimensionales deseadas. Utilizando más de 100 ejemplos novedosos, han podido demostrar la amplia aplicabilidad del proceso. Este estudio se ha publicado ahora en la revista "Science".

La transferencia de energía mediada por la luz supera la barrera energética

Uno de los métodos más eficaces para sintetizar arquitecturas tridimensionales consiste en la adición de una molécula a otra, lo que se conoce como cicloadición. En este proceso, se forman dos nuevos enlaces y un nuevo anillo entre las moléculas. En el caso de los sistemas aromáticos -es decir, compuestos de anillos planos y especialmente estables- esta reacción no era factible con los métodos anteriores. La barrera energética que inhibe dicha cicarga no podía superarse ni siquiera con la aplicación de calor. Por ello, los autores del artículo de "Science" exploraron la posibilidad de superar esta barrera mediante la transferencia de energía mediada por la luz.

"El motivo de utilizar la energía de la luz para construir estructuras químicas más complejas también se encuentra en la naturaleza", explica Frank Glorius. "Al igual que las plantas utilizan la luz en la fotosíntesis para sintetizar moléculas de azúcar a partir de los elementos básicos simples dióxido de carbono y agua, nosotros utilizamos la transferencia de energía mediada por la luz para producir moléculas objetivo complejas y tridimensionales a partir de estructuras básicas planas."

¿Nuevos candidatos para aplicaciones farmacéuticas?

Los científicos señalan las "enormes posibilidades" del método. Los novedosos motivos estructurales no convencionales presentados por el equipo en el artículo de "Science" ampliarán significativamente la gama de moléculas que los químicos medicinales pueden tener en cuenta en su búsqueda de nuevos fármacos: por ejemplo, los bloques de construcción básicos que contienen nitrógeno y son muy relevantes para los productos farmacéuticos, como las quinolinas, las isoquinolinas y las quinazolinas, que apenas se han utilizado debido a problemas de selectividad y reactividad. Mediante la transferencia de energía mediada por la luz, ahora pueden acoplarse con una amplia gama de alquenos estructuralmente diversos para obtener nuevos candidatos a fármacos tridimensionales o sus esqueletos. Los químicos también demostraron una variedad de transformaciones innovadoras para el procesamiento posterior de estas columnas vertebrales sintetizadas, utilizando su experiencia para allanar el camino hacia las aplicaciones farmacéuticas. La gran practicidad del método y la disponibilidad de los materiales de partida necesarios son cruciales para el uso futuro de la tecnología: las moléculas utilizadas están disponibles comercialmente a bajo coste o son fáciles de producir.

"Esperamos que este descubrimiento dé un nuevo impulso al desarrollo de nuevos agentes médicos y que se aplique y siga investigando de forma interdisciplinar", explica Jiajia Ma. Kevin Brown añade: "Nuestro avance científico también puede adquirir una gran importancia en el descubrimiento de agentes de protección de cultivos y más allá".

Sinergia de la química experimental y la computacional

Otra característica especial del estudio: los científicos aclararon por primera vez el mecanismo de reacción y la estructura exacta de las moléculas producidas no sólo de forma analítica y experimental en detalle, sino también mediante "química computacional": Kendall Houk y Shuming Chen llevaron a cabo una detallada modelización informática de la reacción. Pudieron demostrar cómo funcionan estas reacciones y por qué se producen de forma muy selectiva. "Este estudio es un excelente ejemplo de la sinergia de la química experimental y la química teórica computacional", subraya Shuming Chen, ahora profesor en el Oberlin College de Ohio. "Nuestra detallada elucidación mecanística y la comprensión de los conceptos de reactividad permitirán a los científicos desarrollar métodos complementarios y utilizar lo aprendido para diseñar rutas sintéticas más eficientes en el futuro", añade Kendall Houk.

La historia detrás de la publicación

Utilizando el método de transferencia de energía mediada por luz, tanto Jiajia Ma/Frank Glorius (Universidad de Münster) como Renyu Guo/Kevin Brown (Universidad de Indiana) tuvieron éxito, de forma independiente. Gracias a la colaboración con Kendall Houk y Shuming Chen de la UCLA, ambos grupos de investigación se enteraron del descubrimiento mutuo. Los tres grupos decidieron seguir desarrollando sus hallazgos juntos para compartir su avance con la comunidad científica lo antes posible y proporcionar a los químicos medicinales esta tecnología para desarrollar nuevos fármacos.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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