Los químicos han creído durante mucho tiempo que insertar nitrógeno, un ingrediente beneficioso para fabricar muchos productos farmacéuticos y otras moléculas biológicamente activas, en un enlace carbono-hidrógeno requiere una compensación entre la reactividad y selectividad del catalizador. Pero se desarrolló un nuevo catalizador a base de manganesopor químicos de la Universidad de Illinois ha dado a los investigadores ambos en un paquete eficiente y de bajo costo.
Dirigido por la profesora de química de Illinois M. Christina White, el equipo de investigación publicó su trabajo en la revista Química de la naturaleza . El catalizador estará disponible comercialmente este otoño de Sigma-Aldrich número de producto 799688.
"El nitrógeno es omnipresente en productos farmacéuticos y moléculas que provienen de la naturaleza que tienen actividades biológicas muy potentes", dijo White. "La reacción que informamos permite a los químicos tomar productos naturales y candidatos a fármacos que contienen alcoholes y convertir un enlace carbono-hidrógeno, treslos carbonos se alejan del alcohol y se convierten en nitrógeno. Las reacciones que convierten los enlaces carbono-hidrógeno en enlaces carbono-nitrógeno podrían transformar la solubilidad o las propiedades biológicas de una molécula y permitir el descubrimiento acelerado de fármacos ".
Los catalizadores para este tipo de reacciones basadas en metales preciosos, como el rodio, son reactivos pero no muy selectivos, lo que significa que podrían reaccionar en lugares distintos al objetivo. Los catalizadores a base de hierro, un logro pasado del laboratorio de White, son altamenteselectivo, insertando con precisión el nitrógeno, pero son menos reactivos, solo reaccionan con tipos de enlaces más débiles.
"Se acepta comúnmente que la reactividad y la selectividad estarán inversamente correlacionadas, particularmente cuando se trata de transformaciones difíciles como la funcionalización del enlace carbono-hidrógeno", dijo White. "Es como la diferencia entre usar una máquina de lavado a presión y usar una púa de agua del dentista.A medida que te vuelves más selectivo, más objetivo, puedes ser menos poderoso. A medida que te vuelves más fuerte y poderoso, pierdes la capacidad de ser afinado.
"Hemos descubierto un catalizador que desafía este paradigma de reactividad-selectividad", dijo White.
Aunque los metales preciosos han sido venerados durante mucho tiempo por su reactividad química predecible y controlada, el grupo de White explora las propiedades de los metales que se encuentran abundantemente en la corteza terrestre, que están menos documentados y se consideran difíciles de domesticar. Después de considerar los distintos mecanismos de ambos rodio-catalizadores basados en hierro y catalizadores basados en hierro, los investigadores plantearon la hipótesis de que el manganeso podría caer en algún punto intermedio, lo que llevaría a una mezcla de reactividad y selectividad. Sin embargo, lo que encontraron fue que el catalizador basado en manganeso era muy reactivo, incluso más querodio, manteniendo el alto grado de selectividad que se encuentra en los catalizadores de hierro.
"Lo que hace que este catalizador sea realmente especial es que toma las mejores partes de las dos familias de catalizadores que existieron y las combina en una sola", dijo la estudiante graduada Jennifer Griffin, coautora del artículo junto con la estudiante graduada ShaunaParadine, ahora investigador postdoctoral en la Universidad de Harvard. "Siempre he pensado en la reactividad y selectividad en la catálisis de carbono-hidrógeno como dos propiedades mutuamente excluyentes. Ahora, al observar estos metales diferentes, descubrimos que no tiene que serpor separado. Puedes tener ambos "
El manganeso también tiene varias ventajas sobre el rodio y otros metales preciosos, dijeron los investigadores. Es 10 millones de veces más abundante que el rodio, por lo que usarlo para la producción farmacéutica a gran escala es mucho más rentable. Además, el manganeso es mucho másmenos tóxico. Se encuentra en enzimas en todo el cuerpo y se usa como ingrediente en multivitaminas. Esto sugiere que cualquier producto farmacéutico o compuesto hecho con el catalizador puede tener concentraciones más altas del catalizador, con menos necesidad de una purificación costosa y prolongada.
"Realmente muestra la importancia de explorar estos tipos de metales con la esperanza de reemplazar los metales preciosos que son más caros", dijo Griffin. "Es emocionante, deseando ver qué otros tipos de catalizadores se pueden desarrollar para otros tipos de procesos."
Los investigadores esperan que la combinación de alta reactividad y alta selectividad sea una bendición para otros químicos que trabajan para identificar y sintetizar nuevos candidatos a fármacos. Un ajuste sutil en la estructura o funcionalidad de la molécula al agregar nitrógeno u otro grupo funcional en una posición queantes no era accesible podría cambiar drásticamente la forma en que funciona la molécula en el cuerpo al afectar la forma en que interactúa con otras moléculas o su solubilidad.
"En el área de la química medicinal, puedes imaginar que con un catalizador reactivo muy selectivo puedes poner nitrógeno en varios sitios en una molécula, lo que abre un área completamente nueva de funcionalidad para explorar", dijo Jinpeng Zhao, unestudiante graduado y coautor del artículo: "Cambia la forma en que las personas pueden modificar las moléculas bioactivas y ofrece nuevas posibilidades de agregar funciones a las moléculas que se encuentran en la naturaleza".
Por ejemplo, el grupo de White demostró su capacidad para alterar candidatos a fármacos modificando químicamente una molécula antibiótica potencial, la dihidroplueromutilona, usando una combinación de su catalizador de hierro previamente desarrollado para instalar oxígeno y el nuevo catalizador de manganeso para instalar nitrógeno.
Los investigadores continuarán explorando metales de la tierra para catalizar otras reacciones en los enlaces carbono-hidrógeno, abriendo la puerta a aún más vías de desarrollo de fármacos. También explorarán otros sistemas catalizadores basados en manganeso para desarrollar reacciones intermoleculares que no dependen detener un grupo de alcohol cercano.
"En última instancia, nuestro objetivo es desarrollar un conjunto de catalizadores altamente reactivos y selectivos que le permitan agregar con precisión oxígeno, nitrógeno y carbono a cada tipo de enlace carbono-hidrógeno en un entorno de molécula compleja", dijo White.
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Materiales proporcionado por Universidad de Illinois en Urbana-Champaign . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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