El hierro y el oxígeno interactúan en muchos procesos importantes del cuerpo humano. El ejemplo más conocido es la hemoglobina, donde el hierro se une al dioxígeno, es decir, dos átomos de oxígeno se unen para que el oxígeno pueda transportarse a través de la sangre.
El hierro forma compuestos altamente reactivos conocidos como oxos de hierro. Estos compuestos participan en otras actividades biológicas, incluidas reacciones realizadas por enzimas hepáticas que ayudan a descomponer los fármacos.
Explorando la química del oxígeno más allá del hierro
El químico de la Universidad Rice, Raúl Hernández Sánchez, quería saber si el oxígeno podía formar compuestos similares con un grupo diferente de metales que se encuentran al final de la tabla periódica. Estos se conocen como metales del bloque F. Los lantánidos ocupan la fila superior, mientras que los actínidos aparecen debajo de ellos.
Hernández Sánchez propuso que si los lantánidos pudieran unirse al oxígeno de la manera correcta, podrían formar oxocompuestos de lantánidos altamente reactivos. Estas moléculas podrían servir como alternativas sintéticas a los oxos de hierro y brindar a los químicos de moléculas pequeñas nuevas herramientas para estudiar reacciones biológicamente relevantes.
Un gran obstáculo se interpuso en el camino. No se creía que los metales del bloque F, especialmente los lantánidos, interactuaran con moléculas pequeñas como el oxígeno a través de interacciones pi. Estas interacciones son importantes en muchas sustancias biológicas, incluidas las proteínas.
En un estudio publicado Revista de la Sociedad Química EstadounidenseHernández Sánchez y sus colegas informan sobre un método que permite que el dioxígeno forme interacciones pi con neodimio, un metal lantánido. El proceso hizo posible producir oxocompuestos de lantánidos.
Una cesta molecular para el neodimio
“Teníamos una plataforma de ligando que desarrollamos hace unos años”, dijo Hernández Sánchez, profesor asistente de química. “Se puede considerar como una canasta que nos permite capturar metales y colocarlos de una manera que fomente ciertos tipos de unión”.
Cada cesta molecular era lo suficientemente grande como para contener un único átomo metálico del bloque F. Los investigadores enfrentaron estas dos cestas. Entre ellos dispusieron seis átomos, incluida una molécula de dioxígeno, que unía dos átomos de neodimio.
Esta disposición creó un entorno de ligandos octacoordinados, brindando a los científicos una forma de ajustar las posiciones de los metales.
“Una vez que tuvimos un lantánido en nuestra canasta de ligandos, comenzamos a explorar sus reacciones a niveles de moléculas pequeñas hasta que encontramos las condiciones adecuadas para encontrar dioxígeno de una manera sin precedentes”, dijo Hong-Lei Xu, investigador postdoctoral y primer autor del artículo.
Desbloqueando un nuevo tipo de enlace de oxígeno
En las condiciones adecuadas, el neodimio y el dioxígeno formaron interacciones pi que antes se consideraban improbables. La reacción produjo una molécula de oxo lantánido.
Los investigadores ahora pueden investigar si estos compuestos altamente reactivos pueden reemplazar a los óxidos de hierro en la química sintética. También pueden probar si los lantánidos oxos proporcionan capacidades que los compuestos a base de hierro no ofrecen.
Aunque la investigación se centró únicamente en el neodimio, Hernández Sánchez y su equipo creen que el mismo andamio de ligando podría soportar reacciones similares con la mayoría de los lantánidos y posiblemente con los actínidos.
“La capacidad de unir dioxígeno a metales del bloque F y romper el enlace entre dos átomos de oxígeno nos permite descubrir potencialmente oxos de lantánidos altamente reactivos y formar sustancias químicas de alto valor agregado. Podemos abrir un nuevo capítulo en la química de los lantánidos”, dijo Hernández Sánchez.
La investigación realizada por Robert A. de la Universidad Rice fue apoyada por fondos iniciales de la Fundación Welch y una subvención de la Fundación Welch (C-2142-20230405).
