Los fotocatalizadores son materiales que absorben la luz y utilizan esa energía para impulsar reacciones químicas. En la biosíntesis, los fotocatalizadores a base de metales son particularmente valiosos porque son duraderos y personalizables. Al ajustar los ligandos unidos al átomo metálico central, los químicos pueden ajustar el comportamiento del catalizador.
Muchos metales fotocatalizadores ampliamente utilizados, incluidos el rutenio y el iridio, son escasos y caros. Investigadores de la Universidad Nagoya de Japón introdujeron previamente una alternativa basada en hierro, pero esa versión anterior se basaba en una gran cantidad de ligandos quirales costosos. Estos ligandos actúan como guías espaciales, determinando la disposición tridimensional de los productos químicos finales.
En un estudio publicado Revista de la Sociedad Química EstadounidenseEl equipo dio a conocer un catalizador de hierro rediseñado que reduce el uso de ligandos quirales en dos tercios. El sistema también funciona con iluminación LED azul de bajo consumo, lo que hace que los escenarios de retroalimentación sean más realistas y potencialmente más sostenibles.
Con la ayuda de este catalizador mejorado, los científicos lograron la síntesis total asimétrica de (+)-hetziamida A. Se sabe que este compuesto natural, que se encuentra en las plantas medicinales, suprime las erupciones respiratorias. La investigación fue realizada por el profesor Kazuaki Ishihara de la Escuela de Graduados en Ingeniería de la Universidad de Nagoya, el profesor asistente Shuhei Ohmura y el estudiante de posgrado Hayato Akao.
El diseño inteligente del catalizador de hierro mejora la eficiencia
En su trabajo de 2023, los investigadores desarrollaron un fotocatalizador de hierro que incorporaba tres ligandos quirales por átomo de hierro. Sin embargo, sólo uno de estos ligandos contribuyó realmente a la enantioselectividad, lo que hizo que el método fuera ineficaz.
El catalizador recientemente desarrollado utiliza un diseño más estratégico. Combina ligandos quirales con ligandos bidentados aquirales asequibles para formar una estructura de sal de hierro (III) específica. Los ligandos quirales dictan la configuración tridimensional del producto, mientras que los ligandos bidentados aquirales mejoran el rendimiento catalítico.
Utilizando este sistema, el equipo logró una ciclación de cationes radicales (4 + 2) altamente controlada. En esta reacción, dos componentes moleculares se unen para formar un anillo de seis miembros. El proceso permite la formación de aductos 1,2,3,5 sustituidos, que se encuentran comúnmente en productos naturales como la heitziamida.
“El nuevo diseño del catalizador representa la forma específica de catalizador fotoredox de hierro (III) quiral”, dijo Ohmura, uno de los autores correspondientes del estudio. “Creemos que este logro marca un hito importante en el avance de la fotocatálisis basada en hierro”.
Primera síntesis asimétrica total de (+) -hetziamida A
Aunque los investigadores han informado previamente sobre la síntesis de laboratorio de heitziamida A, no han podido lograr una síntesis asimétrica total de su enantiómero natural.
Al controlar cuidadosamente la estructura del anillo de seis miembros con un fotocatalizador de hierro activado por luz azul, el equipo logró la primera síntesis asimétrica total de (+)-hetziamida A. Los hallazgos mostraron que también sería posible generar (-)-hetziamida A utilizando una versión de imagen especular del catalizador, lo que permitiría el acceso selectivo a ambos enantiómeros.
Implicaciones para la química farmacéutica
El nuevo fotocatalizador de hierro permite fabricar moléculas complejas con precursores farmacéuticos utilizando grandes cantidades de hierro y LED azules en lugar de metales raros.
“Lograr la primera síntesis total asimétrica de (+)-hetziamida A utilizando esta reacción catalítica es un logro notable”, dijo Ishihara, el otro autor correspondiente del estudio. “Con la cicloadición del catión radical enantioselectivo (4 + 2) como paso clave, se puede acceder a varios compuestos bioactivos adicionales a través de la síntesis total. Tenemos la intención de publicar artículos de seguimiento sobre la síntesis total asimétrica de estos compuestos en un futuro próximo”.
