"Mano a mano": tres catalizadores resuelven un problema químico
Un equipo de investigación desarrolla una nueva estrategia para crear compuestos moleculares sin necesidad de síntesis de varios pasos
Para la síntesis orgánica, es decir, para la producción de compuestos basados en el carbono, es importante desarrollar procesos de síntesis mediante los cuales se pueda obtener el producto deseado con un buen rendimiento. Al mismo tiempo, los procesos deben ser sostenibles: por ejemplo, deben utilizar reactivos respetuosos con el medio ambiente y fácilmente disponibles, generar pocos residuos y consumir poca energía. Los nuevos procesos de síntesis que cumplan estos criterios pueden servir de trampolín para las innovaciones, desde la química medicinal hasta la ciencia de los materiales. Un ejemplo son las llamadas reacciones de acoplamiento cruzado catalizadas por metales de transición. En este campo, un equipo de investigación dirigido por los profesores de química Frank Glorius (Universidad de Münster) y Kendall N. Houk (Universidad de California, Los Ángeles) ha resuelto ahora un problema que se había considerado un reto durante años: la arilación catalítica de carbono-hidrógeno (C-H) de alquenos no activados. Para ello, emplearon un sistema de tres catalizadores. El estudio se ha publicado en el número inaugural de la recién creada revista Nature Synthesis.
El nuevo método para la arilación de alquenos no activados se basa en un sistema ternario de sinergia níquel(Ni)-transferencia de átomos de hidrógeno (HAT) fotodox (PC) (mostrado esquemáticamente en el centro). Lado izquierdo: fórmula estructural de un grupo arilo (arriba) y un alqueno no activado, lado derecho: alqueno arilado después de la síntesis.
© AG Glorius – WWU Münster
Los alquenos no activados (inertes) son conocidos como materiales de partida para procesos de reacción debido a su fácil disponibilidad. Mediante la arilación, es decir, la inserción de un grupo arilo, se pueden modificar específicamente las propiedades del compuesto. En el presente trabajo, los investigadores han conseguido insertar un grupo funcional especial -un grupo arilo- directamente mediante catálisis, sin necesidad de realizar una síntesis de varios pasos. Los químicos se refieren a la catálisis como la aceleración y el control de las reacciones químicas. La mayoría de las reacciones de catálisis sólo requieren un catalizador. En nuestro caso, sin embargo, tres catalizadores trabajan juntos ("catálisis ternaria"). Esto es especialmente difícil, como hacer malabares con varias pelotas", subraya Frank Glorius. "Los tres catalizadores trabajan de la mano, por así decirlo". Uno de los catalizadores es un fotocatalizador que pone la energía de la luz a disposición de la reacción. Todo el sistema de catalizadores es un sistema denominado sinergia ternaria de transferencia de átomos de níquel e hidrógeno.
"Nuestra estrategia fotoquímica redox-neutral es fácilmente aplicable. Podemos utilizarla para generar compuestos con muchas propiedades diferentes. Los químicos hablan de una gran tolerancia a los grupos funcionales y de la amplitud de su aplicación", explica Frank Glorius. "Podemos utilizarla para arilar derivados de fármacos y productos naturales de forma selectiva en la posición alílica. Esto podría utilizarse para mejorar la eficacia o abrir posibilidades de aplicación totalmente nuevas."
Ken Houk añade: "En general, los enlaces carbono-hidrógeno son inertes. El uso de la catálisis ternaria nos permite utilizar selectivamente un enlace carbono-hidrógeno para la reacción y vincularlo con el socio deseado."
Además de las capacidades sintéticas del método, el equipo ha estado investigando los entresijos mecanísticos de este enlace ternario. Combinando las observaciones experimentales con los cálculos de la teoría del funcional de la densidad, los científicos han trazado una imagen realista de los pasos elementales que intervienen en el proceso.
Las propiedades de los compuestos orgánicos están determinadas en gran medida por los denominados grupos funcionales que se asientan en una estructura de átomos de carbono. Para producir nuevas moléculas, los grupos funcionales se convierten unos en otros. Esto suele requerir síntesis de varios pasos. Es más favorable prescindir del grupo funcional y, en su lugar, producir el producto deseado directamente a partir de un enlace carbono-hidrógeno ("funcionalización C-H"). Sin embargo, los químicos se enfrentan a grandes retos a la hora de seleccionar los compuestos de partida y las estrategias de síntesis adecuadas.
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