El enlace químico más común en el mundo vivo, el que existe entre el carbono y el hidrógeno, ha resistido durante mucho tiempo los intentos de los químicos de abrirlo, frustrando los esfuerzos para agregar nuevas campanas y silbatos a las viejas moléculas a base de carbono.
Ahora, después de casi 25 años de trabajo de químicos en la Universidad de California, Berkeley, esos enlaces de hidrocarburos, dos tercios de todos los enlaces químicos en el petróleo y los plásticos, se han rendido por completo, abriendo la puerta a la síntesis deuna amplia gama de moléculas orgánicas novedosas, incluidos medicamentos basados en compuestos naturales.
"Los enlaces carbono-hidrógeno generalmente son parte del marco, la parte inerte de una molécula", dijo John Hartwig, el presidente de Henry Rapoport en Química Orgánica en UC Berkeley. "Ha sido un desafío y un santo grial de síntesis paraser capaz de hacer reacciones en estas posiciones porque, hasta ahora, no ha habido reactivos ni catalizadores que le permitan agregar nada al más fuerte de estos enlaces ".
Hartwig y otros investigadores habían mostrado previamente cómo agregar nuevos grupos químicos en los enlaces CH que son más fáciles de romper, pero solo podían agregarlos a las posiciones más fuertes de cadenas de hidrocarburos simples.
en la edición del 15 de mayo de la revista ciencia , Hartwig y sus colegas de UC Berkeley describieron cómo usar un catalizador de nuevo diseño para agregar grupos químicos funcionales al más duro de los enlaces carbono-hidrógeno para romper: los enlaces, típicamente en la cabeza o cola de una molécula, donde un carbonotiene tres átomos de hidrógeno unidos, lo que se llama un grupo metilo CH3.
"Los enlaces CH primarios, los que están en un grupo metilo al final de una cadena, son los menos ricos en electrones y los más fuertes", dijo. "Tienden a ser los menos reactivos de los enlaces CH".
Raphael Oeschger, investigador postdoctoral de UC Berkeley, descubrió una nueva versión de un catalizador basado en el iridio metálico que abre uno de los tres enlaces CH en un grupo metilo terminal e inserta un compuesto de boro, que puede reemplazarse fácilmente con grupos químicos más complejosEl nuevo catalizador fue más de 50 veces más eficiente que los catalizadores anteriores e igual de fácil de usar.
"Ahora tenemos la capacidad de hacer este tipo de reacciones, lo que debería permitir que las personas produzcan rápidamente moléculas que no habrían hecho antes", dijo Hartwig. "No diría que se trata de moléculas que no podrían haberse producidoantes, pero la gente no los hacía porque tomaría mucho tiempo, demasiado tiempo y esfuerzo de investigación para hacerlos ".
La recompensa podría ser enorme. Cada año, la industria utiliza casi mil millones de libras de hidrocarburos para fabricar solventes, refrigerantes, retardantes de fuego y otros productos químicos, y son el punto de partida típico para sintetizar drogas.
'Cirugía experta' en hidrocarburos
Para demostrar la utilidad de la reacción catalítica, el compañero postdoctoral de UC Berkeley, Bo Su y sus compañeros de trabajo en el laboratorio, lo utilizaron para agregar un compuesto de boro, o borano, a un átomo de carbono terminal o primario en 63 estructuras moleculares diferentes.El borano se puede cambiar por cualquier número de grupos químicos. La reacción se dirige específicamente a los enlaces CH terminales, pero funciona en otros enlaces CH cuando una molécula no tiene un CH terminal.
"Hacemos un enlace boro-carbono usando boranos como reactivos, están a solo un par de pasos del veneno de hormigas, ácido bórico, y ese enlace carbono-boro se puede convertir en muchas cosas diferentes", dijo Hartwig."Clásicamente, puedes hacer un enlace carbono-oxígeno a partir de eso, pero también puedes hacer un enlace carbono-nitrógeno, un enlace carbono-carbono, un enlace carbono-flúor u otros enlaces carbono-halógeno. Entonces, una vez que haces ese carbono-borón enlace, hay muchos compuestos diferentes que se pueden hacer "
El químico orgánico Varinder Aggarwal de la Universidad de Bristol se refirió a la reacción catalítica como "cirugía experta" y caracterizó la nueva técnica de UC Berkeley como "sofisticada e inteligente", según la revista Chemical and Engineering News
Una posible aplicación, dijo Hartwig, es alterar los compuestos naturales, químicos de plantas o animales que tienen propiedades útiles, como la actividad antibiótica, para mejorarlos. Muchas compañías farmacéuticas hoy en día se centran en productos biológicos, moléculas orgánicas, comocomo proteínas, utilizadas como medicamentos, que también podrían modificarse con esta reacción para mejorar su eficacia.
"En el curso normal, tendrías que volver y rehacer todas esas moléculas desde el principio, pero esta reacción podría permitirte hacerlas directamente", dijo Hartwig. "Este es un tipo de química que te permitiríapara tomar esas estructuras complejas que la naturaleza hace que tienen una actividad biológica inherente y mejorar o alterar esa actividad biológica haciendo pequeños cambios en la estructura ".
Dijo que los químicos también podrían agregar nuevos grupos químicos a los extremos de las moléculas orgánicas para prepararlos para la polimerización en cadenas largas nunca antes sintetizadas.
"Podría permitirle tomar moléculas que serían naturalmente abundantes, moléculas de origen biológico como los ácidos grasos, y poder derivatizarlas en el otro extremo para fines de polímeros", dijo.
larga historia de UC Berkeley con enlaces CH
Los químicos han intentado durante mucho tiempo hacer adiciones específicas a los enlaces carbono-hidrógeno, una reacción conocida como activación de CH. Un sueño aún no logrado es convertir metano, un subproducto abundante, pero a menudo desperdiciado, de la extracción de petróleo y un potente gas de efecto invernadero.- en un alcohol llamado metanol que se puede usar como punto de partida en muchas síntesis químicas en la industria.
En 1982, Robert Bergman, ahora profesor emérito de química de UC Berkeley, demostró por primera vez que un átomo de iridio podría romper un enlace CH en una molécula orgánica e insertarse a sí mismo y un ligando unido entre el carbono y el hidrógeno.Química orgánica e inorgánica, la técnica no era práctica: requería un átomo de iridio por enlace CH. Diez años más tarde, otros investigadores encontraron una manera de usar iridio y otros metales de transición, como el tungsteno, como catalizador, donde un soloátomo podría romper y funcionalizar millones de enlaces CH.
Hartwig, que era un estudiante graduado con Bergman a fines de la década de 1980, continuó golpeando los bonos de CH no reactivos y en 2000 publicó un artículo en ciencia que describe cómo usar un catalizador a base de rodio para insertar boro en los enlaces CH terminales. Una vez que se inserta el boro, los químicos pueden cambiarlo fácilmente por otros compuestos. Con las mejoras posteriores en la reacción y cambiar el metal de rodio a iridio,algunos fabricantes han utilizado esta reacción catalítica para sintetizar fármacos modificando diferentes tipos de enlaces CH. Pero la eficiencia para las reacciones en los enlaces metil CH en los extremos de las cadenas de carbono se mantuvo baja, porque la técnica requería que los químicos reactivos también fueran el solvente.
Con la adición de la nueva reacción catalítica, los químicos ahora pueden pegar productos químicos en casi cualquier tipo de enlace carbono-hidrógeno. En la reacción, el iridio corta un átomo de hidrógeno terminal, y el boro lo reemplaza; otro compuesto de boro flota conel átomo de hidrógeno liberado. El equipo unió un nuevo ligando al iridio, un grupo metilo llamado 2-metilfenantrolina, que aceleró la reacción entre 50 y 80 veces con respecto a los resultados anteriores.
Hartwig reconoce que estos experimentos son un primer paso. Las reacciones varían del 29% al 85% en el rendimiento del producto final. Pero está trabajando en mejoras.
"Para nosotros, muestra, sí, puedes hacer esto, pero tendremos que hacer catalizadores aún mejores. Sabemos que el objetivo final es alcanzable si podemos aumentar aún más nuestras tasas en un factor de 10, digamos.Entonces, deberíamos poder aumentar la complejidad de las moléculas para esta reacción y lograr mayores rendimientos ", dijo Hartwig." Es un poco como una milla de cuatro minutos. Una vez que se sabe que se puede lograr algo, muchas personas puedenpara hacerlo, y lo siguiente que sabes es que estamos corriendo una milla de tres y tres cuartos de minuto "
Nueva investigación de la luz más antigua confirma la edad del universo
Las primeras imágenes del Orbitador Solar revelan 'fogatas' en el sol
Los científicos proponen un plan para determinar si el Planeta Nueve es un agujero negro primordial
Platón tenía razón: la Tierra está hecha, en promedio, de cubos
Nuevo modelo conecta la física de gotitas respiratorias con la propagación de Covid-19
Primera imagen de un sistema de varios planetas alrededor de una estrella similar al Sol capturada por el telescopio ESO
Los científicos descubren que los volcanes en Venus todavía están activos