Articulo.

Un nuevo miembro al club catalítico: metales, enzimas y ¿...?



La paciencia es una virtud que se ha ido perdiendo a lo largo del presente siglo, ya que el auge de las redes sociales, la mensajería exprés y la impactante globalización digital nos ha hecho creer que todo funciona a través de un clic o touch. Incluso el éxito de Tik-Tok demuestra que la espontaneidad y la fugacidad de ideas, bailes y storytelling en menos de sesenta segundos es lo que cautiva a las masas.


Claramente este cambio está vinculado a que al ser humano no le gusta esperar. Basta con recordar cuando éramos pequeños y solíamos preguntar una y otra vez si estábamos a punto de llegar al destino o qué tal cuando estamos esperando a que llegue una fecha importante u hora en específico, el tiempo se vuelve ETERNO y no es nada placentera esa sensación. Actualmente, existen varias formas para acortar esa espera; por ejemplo, si necesitamos enviar un paquete al otro lado del país, podemos pagar una cantidad extra de envío y posiblemente llegará dentro de uno o dos días.


En química a este mecanismo de agilidad se le denomina catálisis, que es la reducción de la energía necesaria para que los reactivos se conviertan en productos en una reacción química. Para que disminuya la energía se requiere de un catalizador, que sin ser afectado acelera el procedimiento. En el ejemplo anterior cuál crees que fue el catalizador…




Efectivamente, el dinero. Sin embargo, en esta entrada no nos enfocaremos en los flujos económicos, ni en la logística de las empresas de paquetería; más bien, en el descubrimiento de un método que ha revolucionado a la industria farmacéutica y a la química en lo que va del milenio: la organocatálisis.


Pero antes de presentar al nuevo miembro del club catalítico hablemos de la asimetría molecular.


Asimetría molecular


El término se refiere a la existencia de moléculas cuya imagen especular no puede superponerse a la original. Es decir, la molécula original refleja exactamente a la otra, hasta podríamos pensar que son iguales, pero cuando se pone una encima de otra, nos damos cuenta que son diferentes, ya que las posiciones de su átomos no coinciden. El mejor ejemplo para describir este concepto es mediante un ejercicio motriz. Deja tu celular o aléjate de tu computadora y observa tus manos. Ahora, junta tus palmas, te darás cuenta que se formará como una especie de espejo, en el que una mano es el reflejo de la otra. Claramente ante esta perspectiva podríamos decir que ambas manos son iguales.


Reflejo de mi mano derecha usando un espejo.

Ahora coloca tu mano izquierda sobre una superficie plana, tu palma debe tocar la superficie, después coloca la palma de tu mano derecha sobre tu mano izquierda. ¿La posición de tus pulgares coinciden? Creo que no, a menos que quien esté leyendo esta entrada tenga dones especiales. En la mayoría de moléculas orgánicas ocurre lo mismo, el arreglo atómico difiere tal como lo ves a continuación:


Imagen especular de la talidomida.

Evidentemente se presenta el mismo efecto de espejo, pero son moléculas distintas llamadas enantiómeros. La letra S y R que ves en la imagen es la forma en que la comunidad científica ha establecido para diferenciar la posición y acomodo de sus átomos. Es necesario conocer cómo están organizados los átomos porque las propiedades de las moléculas son totalmente diferentes cuando la posición de un sólo átomo cambia. Simplemente hay que recordar el escándalo de la talidomida. En el que a inicios de la década de los sesenta del siglo pasado se determinó que el consumo de talidomida para tratar malestares en mujeres embarazadas provocó malformaciones en los bebés. Algunos de ellos no sobrevivieron y otros siguen pagando las consecuencias de esta tragedia.



La razón de este problema fue que el medicamento tenía una mezcla de la talidomida R y S, la primera molécula tiene efectos sedantes, pero la talidomida del tipo S es teratogénica, es decir que, genera malformaciones en los fetos.


Muchos compuestos orgánicos presentan asimetría molecular y usualmente cuando se sintetizan existe una mezcla de ambas moléculas, por lo que el reto es propiciar reacciones químicas en las que únicamente se obtenga la molécula deseada y no la mezcla. Justo en esta parte es donde entra la función de los catalizadores.


Club catalítico: metales y enzimas


Antes del año 2000 era ampliamente conocido que sólo existían dos tipos de catalizadores: los metales y las enzimas. Los metales tienen la capacidad de acomodar o proveer electrones a otras moléculas durante una reacción química. Sin embargo, tienen diversas desventajas:


No tienen una alta selectividad enantiomérica, es decir mejoran la reacción, pero se produce una mezcla de moléculas, mas no una molécula en específico.
Presentan una alta sensibilidad hacia el oxígeno y agua lo que requiere de mayores cuidados durante la síntesis química.
La mayoría de ellos son metales pesados lo que representa un posible daño ambiental y son costosos.

Por otra parte, existe otro catalizador ampliamente conocido, las enzimas, que son proteínas conformadas por cientos de aminoácidos que desencadenan y potencializan reacciones químicas necesarias para el buen funcionamiento de nuestro cuerpo y de la vida. A diferencia de los metales, estos catalizadores sí tienen mayor especificidad y logran discernir entre moléculas parecidas, sin embargo, su estudio se dificulta ya que son muy complejas.


Todo cambió cuando…


Benjamin List durante su estancia de posdoctorado en el Instituto de Investigación Scripps en California estudió el desarrollo de nuevas enzimas. List, se cuestionó si un sólo aminoácido o una molécula simple podría catalizar una reacción química. Durante su investigación encontró un estudio de principios de 1970 en el que emplearon un aminoácido muy pequeño como catalizador, la prolina; sin embargo, ese estudio no tuvo éxito porque no funcionó del todo bien en la reacción que los autores estudiaron. Por lo que List decidió comprobar si la prolina era capaz de catalizar una reacción aldólica. Básicamente este tipo de reacción involucra la formación de un enlace carbono-carbono entre una cetona y un aldehído para formar otra molécula diferente.




La reacción anterior fue justo la reacción aldólica que estudiaron Benjamin List, Richard A. Lerner y Carlos F. Barbas. La primera molécula es acetona, la segunda 4-nitrobenzaldehído, y existe una que está sobre la flecha, esta molécula con una forma pentagonal es la prolina. Ahora, si te fijas bien en el producto, la estructura de la prolina no aparece en la molécula resultante, es decir que la prolina únicamente ayudó a que las moléculas reactivas se unieran, justo lo que hace un catalizador. Posiblemente te preguntarás cómo lo hizo… La prolina tiene un átomo de nitrógeno que permite acomodar electrones durante todo el mecanismo de la reacción, lo que favorece la unión o rompimiento de enlaces.



David MacMillan celebrando tras el anuncio que fue galardonado con el Premio Nobel de Química 2021. @Alma Hernández






Por otra parte, David MacMillan también trabajaba con catalizadores, aunque él estaba más enfocado en catalizadores metálicos; no obstante, se dio cuenta que el uso de este tipo de catalizadores era muy difícil de aplicarse en condiciones industriales debido a su gran sensibilidad con el oxígeno y agua. Así que, decidió dejar los metales y comenzó a buscar nuevos materiales que pudieran mejorar la catálisis enantioselectiva.












Kateri Ahrendt, Christopher J. Borths y David W. C. MacMillan motivados por descubrir catalizadores selectivos que pudieran asegurar la eficiencia y producción de moléculas orgánicas, encontraron que la imidazolidinona (molécula sobre la flecha) era capaz de catalizar una reacción de Diels-Alder que consta de la interacción de un aldehído (primera molécula de la reacción) y un dieno, molécula con dobles enlaces.

Si te das cuenta la imidazolidinona tiene un nitrógeno en esta posición:



Lo que facilita su formación a un ión iminio, que es realmente el catalizador de la reacción anterior. La selectividad está determinada por la geometría de la molécula y los agentes que rodean al ion.


A partir de este momento, cientos de investigaciones relacionadas a la organocatálisis fueron publicadas. Forjando, a las moléculas orgánicas simples como un nuevo integrante al grupo de los catalizadores.




Yeremi Pérez

Ing. en Nanotecnología y Ciencias Químicas, y estudiante de maestría en Ciencia de Materiales en el Centro de Investigación en Materiales Avanzados y la Queen Mary University of London

Editor en Jefe - Ciencia Sí



Instagram: @yeremiperez_yp

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Referencias


1. Martínez-Frías, M. L. (2012). Talidomida: 50 años después. Medicina Clínica, 139(1), 25–32. https://doi.org/10.1016/j.medcli.2011.10.011



2. List, B., Lerner, R. A., & Barbas, C. F. (2000). Proline-Catalyzed Direct Asymmetric Aldol Reactions. Journal of the American Chemical Society, 122(10), 2395–2396.

https://doi.org/10.1021/ja994280y


3. Ahrendt, K. A., Borths, C. J., & MacMillan, D. W. C. (2000). New Strategies for Organic Catalysis: The First Highly Enantioselective Organocatalytic Diels−Alder Reaction. Journal of the American Chemical Society, 122(17), 4243–4244. https://doi.org/10.1021/ja000092s




Sugerencias


The Nobel Prize. (2021). Press release: The Nobel Prize in Chemistry 2021. Nobel Prize Outreach. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2021/press-release/


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