Los investigadores han diseñado y construido una nueva herramienta química inspirada en enzimas naturales que contienen metales en organismos vivos. El producto, un zinc quiral tetraédrico, "mantiene su forma durante años, proporcionando una nueva estructura con interesantes posibilidades para la fabricación de productos farmacéuticos y electrónica óptica. Los expertos añaden comillas alrededor del "zinc quiral" para enfatizar que un enlace quiral está unido al zinc, en lugar de otro átomo en una molécula que contiene zinc.

"Esperamos que los resultados de este estudio agreguen una nueva página a los libros de texto de química y tengan un gran impacto en muchas industrias involucradas en la síntesis de sustancias". "dijo el profesor Mitsuhiko Shionoya, líder del laboratorio que llevó a cabo la investigación en la Universidad de Tokio. Los resultados del equipo se publican en Comunicaciones de la naturaleza .

Una característica esencial del compuesto es su quiralidad en el átomo de zinc en el centro de la molécula. Una molécula quiral viene en dos versiones, llamados enantiómeros. Los enantiómeros están hechos de los mismos elementos, pero difieren en la orientación 3-D de cómo se enlazan los átomos, como la mano derecha e izquierda.

La quiralidad puede dar a los productos químicos propiedades ópticas únicas, que puede ser útil en electrónica. Algunas moléculas de fármacos quirales son terapéuticas en una orientación y tóxicas en la opuesta, por lo que aislar el enantiómero deseado es a menudo esencial para los fabricantes de medicamentos y los métodos para forzar las reacciones químicas a producir solo el enantiómero deseado podrían ahorrar tiempo y reducir el desperdicio.

Los químicos han desarrollado muchas formas eficientes de construir compuestos quirales con carbono y otros no metales en el centro quiral. Adicionalmente, el diseño de catalizadores quirales que contienen metal, pero cuya quiralidad no está centrada en el átomo metálico, ganó el Premio Nobel de Química en 2001 por su útil capacidad para inducir quiralidad centrada en el carbono. Sin embargo, la fabricación de moléculas quirales centradas en metales sigue siendo un desafío abierto. Los metales son más difíciles de usar como centros quirales porque los enlaces que forman a menudo son menos estables.

"Mi sueño era un poco más grande. Me gustaría que cada elemento de la tabla periódica se convirtiera en el centro de quiralidad, "Comentó Shionoya. Átomos individuales de zinc rodeados por cuatro brazos en una pirámide triangular, o tetraédrico, forma son comunes en la naturaleza:muchos tipos de compuestos tetraédricos de zinc, como dedos de zinc, se unen al ADN y otros manejan el dióxido de carbono en las células de los mamíferos.

Los químicos sintéticos han fabricado compuestos de zinc de cinco y seis brazos en 3D, pero los compuestos de zinc tetraédricos sintéticos fabricados hasta la fecha se han mantenido estables durante unos minutos antes de que se desarmaran sus enlaces.

El equipo de investigación de Shionoya planteó la hipótesis de que si cada uno de los cuatro brazos unidos al zinc tiene una función diferente, la molécula quiral final podría permanecer estable y servir como una herramienta útil para acelerar otras reacciones químicas. El primer paso del equipo fue diseñar una estructura de tres brazos, o ligando tridentado asimétrico, y unir esos brazos al átomo central de zinc.

"Esta fue la parte más difícil. No hubo ejemplos exitosos de estabilización de la quiralidad tetraédrica centrada en el metal antes del inicio de este estudio, así que tuvimos que diseñar el ligando tridentado desde cero, "dijo Shionoya.

Este primer paso produjo cantidades iguales de cada enantiómero de un zinc quiral unido al ligando tridentado.

Luego, los investigadores conectaron un cuarto brazo intermedio llamado ligando quiral auxiliar. Este ligando quiral dio a todo el tetraedro dos puntos de quiralidad:uno en el cuarto brazo y otro en el zinc central. Calentar la solución hizo que casi todas las moléculas se reconfiguraran en un enantiómero más estable.

El último paso fue reemplazar el auxiliar quiral con un cuarto brazo aquiral. El producto final se obtuvo como cristales de enantiómero único 100% puros. La pureza de este enantiómero se mantuvo superior al 99% a lo largo del tiempo e incluso después de disolver el cristal en un disolvente.

Un brazo intercambiable permanece en el "zinc quiral, "que luego se puede utilizar para acelerar las reacciones químicas para producir productos útiles. Además, El uso de una solución pura de un enantiómero de un catalizador quiral a menudo puede impulsar una reacción química para producir un producto final que también es un solo enantiómero.

"Esperamos que muchos químicos comiencen a usar complejos metálicos tetraédricos como catalizadores para hacer productos útiles para la sociedad, "dijo Shionoya.