Las moléculas cíclicas están en todas partes, y todo lo que nos rodea proviene de la forma en que están ensamblados:no solo el gusto, color y olor, pero también (por ejemplo) medicamentos farmacéuticos. La naturaleza por sí misma forma anillos moleculares de diferentes tamaños y cadenas de anillos de diferentes longitudes que los científicos pueden reproducir artificialmente. Los químicos de la Universidad de Ginebra (UNIGE) han ideado ahora una nueva técnica para crear estas cadenas de anillos moleculares que no utilizan interacciones químicas estándar, sino que entran en contacto con grandes superficies moleculares que son pobres en electrones y no existen en la naturaleza. A diferencia de los procedimientos estándar, esta nueva técnica funciona por autocatálisis, la más rara, pero también el más ambicioso, tipo de transformación que existe en química. Los resultados de esta investigación, publicado en la revista Angewandte Chemie , abren nuevas perspectivas para la ciclación molecular y también proporcionan la primera parte de la respuesta a una vieja contradicción en la química clásica.

Las moléculas que nos rodean a menudo están dispuestas en forma de ciclos, formando esteroides, azúcares perfumes o también drogas, por ejemplo. Química Inorgánica, Estos anillos moleculares se pueden crear utilizando la técnica de catálisis:la molécula seleccionada, llamado sustrato, se pone en contacto con la molécula que realiza la transformación, el catalizador, generalmente a través de enlaces de hidrógeno. Pero con este único método de interacción, las posibilidades creativas se reducen. La incorporación de nuevas formas de interacción los convertiría de manera diferente, creando así nuevos materiales con el potencial de resolver problemas científicos y sociales que son intratables con los métodos convencionales.

Stefan Matile es profesor del Departamento de Química Orgánica de la Facultad de Química y Bioquímica de la Facultad de Ciencias de UNIGE. También es miembro del NCCR Chemical Biology y del NCCR Molecular Systems Engineering. "Nuestro laboratorio se ha especializado en implementar nuevos contactos entre moléculas, uno de ellos basado en superficies moleculares muy grandes, conocidos como aromáticos, que son pobres en electrones altamente deslocalizados ". El profesor Matile agrega que los contactos con estos llanuras moleculares vacías, que están ausentes en la naturaleza, parecía prometedor para la ciclación de anillos moleculares que están encadenados entre sí. ¿Pero cuales son las consecuencias?

Cadenas de anillos moleculares producidas por autocatálisis

Los objetivos de los químicos de Ginebra eran:reproducir ciclos de diferentes tamaños, es decir, que consta de varios átomos definidos (esteroides, por ejemplo, se forman a partir de tres ciclos de seis átomos más uno de cinco); y unir varios ciclos juntos sin usar los enlaces de hidrógeno pero con una superficie molecular baja en electrones deslocalizados (conocidas como interacciones anión-π). "La característica principal de este plano molecular es el espacio vacío que proporciona para que las moléculas se ensamblen, "dice Miguel Paraja, investigador del Departamento de Química Orgánica de UNIGE. En contacto con esta nueva, superficie espaciosa y deficiente en electrones, las moléculas formaron ciclos de diferentes tamaños (4 a 8 átomos) y varias secuencias. "¡Pero la gran noticia fue la forma en que ocurrieron las transformaciones!" añade el químico con sede en Ginebra.

Todas estas ciclizaciones se llevaron a cabo de forma autocatalítica. "Con un catalizador convencional, las ciclizaciones son rápidas al principio, y luego, dado que hay cada vez menos sustrato, se ralentizan cada vez más, explica Xiaoyu Hao, un investigador en el mismo laboratorio. Pero con la autocatálisis, es todo lo contrario que sucede ". las transformaciones moleculares se aceleran a gran escala. "Aunque esta autocatálisis es un fenómeno de transformación muy poco común en química, también es el más asombroso, dice el profesor Matile. "Se basa en la ayuda mutua entre moléculas:las primeras moléculas transformadas ayudan a las siguientes a transformarse, que no es el caso durante la catálisis normal, que desacelera en lugar de acelerar ".

El primer paso para responder a una vieja contradicción de la química clásica

Este descubrimiento ayuda a responder a una de las contradicciones más antiguas de la química clásica. "Hay una cadena muy conocida de anillos moleculares, llamada brevetoxina, que se encuentra en la marea roja y que tiene el efecto de matar peces, "explica el profesor Matile. Fue descubierto por una figura destacada de la química orgánica, Koji Nakanishi, quienes propusieron una explicación para la posible construcción de esta extraordinaria cadena formada a partir de once anillos moleculares consecutivos en una sola reacción. Pero esta hipótesis no estaba de acuerdo con Jack Baldwin, un químico famoso que elaboró ​​las reglas que explican la formación de ciclos que ahora se aceptan como la base de la química clásica. La "hipótesis de Nakanishi" viola estas reglas para cada uno de los once anillos. "Nuestros anillos se pueden formar de acuerdo con las reglas de Baldwin si así lo queremos, informa Paraja. Más importante, también podemos romper las reglas de Baldwin a pedido con nuestros nuevos catalizadores y crear esos anillos prohibidos con los que soñaba Koji Nakanishi. "" La clave del éxito, explica Hao, es el gran espacio vacío que ofrecen nuestros nuevos catalizadores ".

El profesor Matile continúa diciendo que:"Con el descubrimiento de la autocatálisis en la formación de moléculas cíclicas, Nuestros contactos anión-π nos han ayudado a comprender la forma más sutil de transformar las moléculas que existe en química. Y esto nos ayudará a crear nuevas cadenas de anillos moleculares ". Los químicos podrán influir y dirigir la naturaleza de la transformación del siguiente sustrato, creando nuevos materiales, uno de los principales objetivos también de la NCCR Molecular Systems Engineering. "La mayoría de las soluciones a problemas científicos, sean sobre comida, medicina o medio ambiente, implican moléculas y nuevos contactos que se pueden crear entre ellos, "dice el químico con sede en Ginebra.