El Dr. Petri Turhanen estaba trabajando en una síntesis de una versión modificada de la molécula biológica trifosfato de adenosina (ATP), cuando descubrió que la resina de intercambio catiónico que estaba usando producía involuntariamente otra molécula. Una investigación más detallada reveló que la molécula había sido yodada, lo que significa que se ha añadido un átomo de yodo. Esta reacción específica es difícil de realizar utilizando las técnicas de síntesis actuales, que a menudo se basan en productos químicos tóxicos y peligrosos y en condiciones de reacción adversas.

A medida que se avecina una crisis ambiental, Reducir nuestro impacto en el planeta se vuelve más pertinente que nunca. Puede encontrar tranquilidad al tomar decisiones concienzudas sobre su estilo de vida, pero para muchos hay un problema que es difícil de ignorar:¿qué pasa con el uso menos visible de los recursos? ¿Qué pasa con los desechos y el transporte que ocurren a nivel industrial, esos procesos que nos proporcionan medicamentos, cosméticos y otros productos?

La gestión del impacto medioambiental de estos procesos suele ser competencia de la 'química verde, "el concepto de diseñar procesos químicos con un impacto mínimo en el medio ambiente. La demanda de soluciones tecnológicas está aumentando, y la esperanza es que los seres humanos podamos reducir nuestra dependencia de recursos nocivos y no renovables, y limitar los subproductos peligrosos de la industria, mientras mantenemos o mejoramos nuestra calidad de vida actual.

Conectando los carbonos

Gran parte de la química orgánica, la construcción de moléculas basadas en carbono, se refiere a la creación de enlaces entre el carbono y otros átomos. como el nitrógeno, oxígeno, boro, azufre, fósforo o un segundo carbono. Conectar estos átomos es el santo grial de la química orgánica porque permite a los químicos construir diferentes tipos de compuestos orgánicos. Porque la vida está 'basada en carbono, "muchos de los medicamentos más importantes también están basados ​​en carbono, moléculas orgánicas.

Pero crear estos vínculos no siempre es sencillo. Las moléculas que contienen enlaces carbono-yodo (C-I) se utilizan a menudo como moléculas intermedias, como un andamiaje que hace posible sintetizar moléculas orgánicas más grandes. Esto se debe a que los enlaces C-I no solo son relativamente fáciles de formar, pero el yodo también es bastante fácil de reemplazar con otro átomo.

Estos compuestos 'yodados' también se pueden utilizar para algo más que simplificar la síntesis. El yodo tiene isómeros importantes, igual que ¹²³ I, ¹²⁴ yo y ¹²⁵ I, que son radiactivos. Las moléculas orgánicas yodadas radiactivas se utilizan en aplicaciones sanitarias como la tomografía por emisión de positrones (exploración PET), diagnóstico y terapia del cáncer. Pero las reacciones químicas realizadas a nivel industrial para crear estos importantes compuestos yodados a menudo utilizan materias primas tóxicas, solventes nocivos e incluso metales pesados ​​como catalizadores.

Métodos de yodación

Los métodos tradicionales para yodar moléculas pueden utilizar I2 como fuente de yoduro, y para algunas reacciones esto funciona muy bien. Sin embargo, para reacciones que requieren una temperatura más alta, Hay un problema. Con muy poco calor el yodo puede sublime, lo que significa que pasa directamente del estado sólido a ser un gas.

Para algunos compuestos, se necesitan otros métodos para yodar con éxito. Pero estos métodos difícilmente podrían considerarse amigables con el medio ambiente:involucran reactivos peligrosos como el peróxido de hidrógeno, yodato de trimetilsulfonio y monocloruro de yodo, y solventes como diclorometano, dioxano y tetrahidrofurano:compuestos nocivos, si no es tóxico, carcinogénico, ambientalmente dañino o explosivo.

Descubrimiento inesperado

Aquí es donde el Dr. Petri Turhanen, investigador de la Universidad de Finlandia Oriental, hizo un descubrimiento inesperado. Mientras se desarrolla una ruta de síntesis para un derivado de ATP, una molécula importante en las células, su grupo de investigación descubrió que entre su producto previsto había otro producto que no esperaban. La ejecución de pruebas de RMN en este compuesto confirmó su identidad. Donde el material de partida tenía un doble enlace entre dos átomos de carbono, esta molécula tenía un enlace sencillo, y un átomo extra en ambos carbonos:uno de hidrógeno y uno de yodo.

Reacciones de adición

Este tipo de reacción (romper un doble enlace de carbono para agregar dos átomos) se conoce como reacción de adición. Existen algunos métodos para realizar la adición de hidrógeno y yodo a través de dobles enlaces de carbono, siempre que el doble enlace sea parte de una cadena más larga. Pero esta reacción de adición específica, de hidrógeno y yodo a través de un doble enlace de carbono al final de una cadena, es extremadamente poco común en la literatura. Entonces, ¿por qué nunca antes se había encontrado esta síntesis?

Parte de la respuesta radica en los materiales específicos que se utilizan para completar esta reacción. El grupo del Dr. Turhanen estaba usando una sustancia conocida por muchos como Dowex, una resina sólida hecha del poliestireno sulfonato químico. Dowex es una resina de intercambio catiónico, lo que significa que la resina 'almacena' iones positivos, que puede intercambiar por otros iones positivos. Un ejemplo del uso de este material es en ablandamiento de agua, donde el agua dura pasa a través de la forma sódica de Dowex. La resina absorbe los iones de calcio y magnesio, liberando iones de sodio en el agua. Y debido a que los usos de Dowex son tan específicos, esta es la primera vez que se ha utilizado para realizar este tipo de reacción de adición.

Elegir la mejor fuente de yoduro

Desde que descubrió este uso poco convencional de Dowex, Turhanen y su equipo han estado investigando sistemáticamente tantas variaciones de esta reacción como sea posible. Han probado los yoduros de potasio, rubidio, níquel, amonio, manganeso y antimonio, pero los mejores rendimientos se obtienen típicamente utilizando el yoduro de sodio fácilmente disponible.

Prueba inicial

Inicialmente, Turhanen y su equipo probaron más de 50 tipos de reacción, encontrar muchos métodos nuevos para producir moléculas que contienen yodo que se extienden mucho más allá de la adición de hidrógeno y yodo a través de un doble enlace carbono-carbono.

Usando el método de Turhanen, toda la reacción puede ocurrir como un 'one-pot, "con pasos limitados, menor desperdicio y reactivos limitados.

Una de las primeras reacciones que descubrió Turhanen fue la reacción de apertura de anillo de los éteres cíclicos (anillos de carbono donde un átomo es un oxígeno), lo que antes era imposible para algunas moléculas de éter cíclico específicas. Esta reacción crea moléculas conocidas como yodoalcanoles, que contienen un grupo alcohol (OH) en un extremo y un átomo de yodo en el otro. Los yodoalcanoles son moléculas valiosas en la síntesis orgánica, pero comúnmente se elaboran con reactivos, que puede ser perjudicial para el medio ambiente. Usando una resina de intercambio catiónico y yoduro de sodio, El método de Turhanen es mucho más ecológico. Algunos éteres cíclicos son particularmente difíciles de abrir, como 1, 4-dioxano, apertura de la cual no se ha informado hasta ahora. La mayoría de las reacciones hasta ahora requieren sustancias tóxicas como el trifluoruro de bario. Esto ya no es necesario con el nuevo método.

Di-yoduros

Más recientemente, Turhanen ha informado de la capacidad del Dowex y el yoduro de sodio para convertir etinos (moléculas con un triple enlace carbono-carbono) en di-yoduros, añadiendo un átomo de yodo a ambos átomos de carbono de etino. Las pruebas de 12 moléculas de etino fácilmente disponibles mostraron que este proceso es versátil y proporciona rendimientos de hasta el 78%. Muchos de los compuestos producidos solo se han informado unas pocas veces antes en la literatura, y dos de ellos eran completamente desconocidos anteriormente.

Esterificación

Mientras juega con los parámetros de estas reacciones, Turhanen y su grupo de investigación se toparon con otro interesante descubrimiento:mientras usaban alcoholes como solvente con ácidos carboxílicos, Se encontraron algunas condiciones de reacción más inesperadamente suaves para crear ésteres. Los ésteres son compuestos que dan sabor, por ejemplo, manzana. Estas reacciones no son de ninguna manera nuevas en química, pero son áreas importantes de desarrollo en la química verde porque los ésteres metílicos de ácidos grasos son el componente principal del biodiésel. La esterificación ocurre típicamente usando temperaturas de hasta 100 ° C en el transcurso de varias horas o incluso días. Usando Dowex, Turhanen ha podido esterificar algunos ácidos grasos libres a temperatura ambiente en solo 15 minutos, con rendimientos del 99%. Extendiendo esto a un escenario más realista para la creación de biodiésel, Turhanen tomó muestras de aceite de cocina usado de los restaurantes locales y las convirtió en biodiésel. con pureza superior al 95%.

Una reacción similar permite que el grupo cree ésteres a partir de alcoholes y ácidos carboxílicos en condiciones suaves. Los aminoácidos naturales se pueden esterificar sin protección de grupos amino. También se pueden preparar ciertos tipos de éteres mediante el método. Una de las aplicaciones más interesantes de esto es la eterificación selectiva de uno de los grupos de alcohol en la glucosa. El método tradicional para realizar esta reacción es un proceso de varios pasos que utiliza grupos "protectores" voluminosos que solo permiten que reaccione la parte deseada de la molécula de glucosa. Usando el método de Turhanen, toda la reacción puede ocurrir como un 'one-pot, "con pasos limitados, menor desperdicio y reactivos limitados.

Química verde

La propiedad de las resinas de intercambio catiónico utilizadas junto con el yoduro de sodio para funcionar como reactivo o catalizador en tantas reacciones hace que esta sea una herramienta valiosa para la síntesis orgánica. particularmente porque algunas de las reacciones nunca antes habían sido posibles.

Uno de los aspectos más emocionantes de este descubrimiento es el impacto que tendrá sobre cómo se sintetizan algunas sustancias químicas orgánicas. En una era en la que la química verde es una parte necesaria para mantener el bienestar global, este método puede reemplazar de manera viable muchas de las condiciones de reacción más dañinas para el medio ambiente. Donde reactivos nocivos, tradicionalmente se han utilizado solventes y catalizadores, Los químicos orgánicos ahora pueden optar por lo simple, disolvente verde 2-propanol; en lugar de reacciones complejas de varios pasos, algunas rutas sintéticas ahora son posibles usando un método de "un solo recipiente"; y donde se utilicen actualmente catalizadores tóxicos de metales pesados, una resina reutilizable puede ser igualmente eficaz incluso a temperaturas más bajas.

Respuesta personal

De las posibles aplicaciones de estas nuevas condiciones de reacción, ¿Cuál te parece más emocionante?

"Primero, la aplicación más interesante fue la facilidad de síntesis de biodiésel a partir de aceite de cocina usado. Realmente, Según mi conocimiento, el método que encontramos es el único que también funciona para aceite de cocina parcialmente hidrolizado sin formar jabón, como lo hacen los métodos industriales actuales utilizados para producir biodiesel. Segundo, Dowex es reutilizable en la mayoría de los casos, como las esterificaciones, y ni siquiera necesita reactivación o regeneración. lo que hace que el método sea "verde". En tercer lugar, el uso del método abre nuevas reacciones, como los que hemos mostrado, por ejemplo, abriendo por primera vez el 1, 4-dioxano a I (CH ₂ ) ₂ O (CH ₂ ) ₂ OH, que es un precursor importante de la síntesis de poliglicol. Y hay más por venir."