Un equipo de investigadores del Centro de Funcionalizaciones de Hidrocarburos Catalíticos, dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS, Corea del Sur), han diseñado una nueva estrategia para sintetizar moléculas cíclicas en forma de anillo, muy buscado por las industrias farmacéutica y química, y conocidos como gamma-lactámicos. Este estudio describe cómo se pueden preparar estos anillos de cinco miembros a partir de hidrocarburos de materias primas económicas y fácilmente disponibles, así como de moléculas orgánicas complejas, como aminoácidos y esteroides. Los gamma-lactámicos encuentran varias aplicaciones en medicinas, sintético, y química de materiales. Por ejemplo, están incluidos en una gran cantidad de compuestos farmacéuticamente activos con antibióticos, antiinflamatorio, y funciones antitumorales. Publicado en Ciencias , esta investigación se llevó a cabo en el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST).

La conversión de hidrocarburos en compuestos que contienen nitrógeno es un área importante de investigación, donde el desafío radica en romper fuertes enlaces carbono-hidrógeno (C? H), y convertirlos en enlaces carbono-nitrógeno (C-N) de forma controlada. Por esta razón, los hidrocarburos son difíciles de usar como materias primas, aunque el hecho de que existen en grandes cantidades en la naturaleza.

Durante los últimos 35 años, Los químicos han encontrado formas de convertir hidrocarburos simples en anillos que contienen nitrógeno, como indoles o pirrolidinas, pero resultó imposible preparar gamma-lactámicos utilizando los mismos métodos. Los investigadores del IBS plantearon la hipótesis de que tal falla se debía a vías químicas alternativas que desvían la reacción de los anillos deseados:el intermedio de reacción (carbonilnitreno) se descompone rápidamente en productos no buscados. Utilizando modelos informáticos de las vías de reacción deseadas y no deseadas, el equipo encontró una estrategia para cerrar completamente este último con el fin de obtener los ansiados gamma-lactámicos. Por primera vez, estas moléculas cíclicas de cuatro carbonos y una de nitrógeno se obtuvieron directamente a partir de sustancias químicas simples como materia prima.

"Con este trabajo ofrecemos una nueva solución a un desafío de larga data y demostramos el poder de lo que llamamos desarrollo de reacciones basadas en mecanismos, "explica el profesor BAIK Mu-Hyun, un autor correspondiente del estudio.

Dirigido por el profesor CHANG Sukbok, Los investigadores del IBS diseñaron la reacción ganadora con la ayuda de simulaciones por computadora que analizan los mecanismos de reacción y calculan la energía requerida para que se produzca la reacción. Según tales predicciones informáticas, la reacción podría seguir tres vías, que conduce a la formación de la gamma-lactama deseada, un producto no deseado (isocianato), o la degradación del catalizador provocada por la reacción del sustrato con la cadena principal del catalizador. Combinando observaciones experimentales y simulaciones por computadora detalladas, el equipo diseñó un catalizador a base de iridio, altamente selectivo para la formación de gamma-lactámicos. De este modo, las dos vías no deseadas fueron cerradas sistemáticamente, dejando la formación del anillo que contiene nitrógeno como el único resultado posible.

Más allá de utilizar hidrocarburos como materia prima barata como sustratos, el equipo también tuvo éxito en la conversión de aminoácidos, esteroides y otras moléculas bio-relevantes en gamma-lactámicos, que puede encontrar una variedad de aplicaciones como insecticida para plantas, medicamentos contra gusanos parásitos, o agentes anti-envejecimiento. Esta nueva tecnología sintética brinda un acceso mucho más fácil a estas complicadas moléculas y permitirá el desarrollo de fármacos potenciales en un período de tiempo mucho más corto a un costo menor.

"En esta obra pionera, nos alejamos de la estrategia de aminación existente y abrimos la puerta a una forma completamente nueva de convertir C-H en enlaces C-N. Nuestro descubrimiento es un trabajo que cambia el paradigma y ofrece una nueva base conceptual para muchos desarrollos interesantes a seguir, "se entusiasma el profesor CHANG.

Los investigadores del IBS ahora están interesados ​​en desarrollar sistemas catalizadores menos costosos, y ampliando la gama de productos, por ejemplo, produciendo anillos con cuatro o seis átomos (conocidos como beta-lactámicos y delta-lactámicos, respectivamente). Finalmente, como explica el primer autor del estudio, HONG Seung Youn, el equipo aspira a pasar de las reacciones de aminación intramolecular a las intermoleculares:"El objetivo final sería lograr la conversión directa de alcanos inactivos, como gases naturales como metano o etano, en productos químicos útiles de valor agregado a través de la aminación intermolecular de C-H ".