En el Instituto Leibniz de Catálisis de Rostock, el Dr. Johannes Fessler ha desarrollado nuevos métodos para la síntesis de precursores de fármacos utilizando catalizadores de hierro, manganeso y cobalto. Cada uno de estos tres elementos químicos tiene el potencial de reemplazar una serie de metales nobles que se usan comúnmente en química orgánica para catalizar productos químicos finos.
El platino y el paladio, por ejemplo, son caros debido a su escasa presencia, su extracción es costosa y liberan grandes cantidades del gas de efecto invernadero CO2. . Por lo tanto, uno de los objetivos de la química "verde" es prescindir en el futuro de estos metales nobles en la catálisis organometálica.
Johannes Fessler obtuvo sus conclusiones en el marco de su disertación, que defendió en enero. Ha informado sobre ello en Chemical Science. , junto con su supervisor doctoral, el Prof. Dr. Matthias Beller, y la líder de su grupo de investigación, la Dra. Kathrin Junge. Por ejemplo, puede leer cómo se crea un candidato a ingrediente activo complejo basado en pirrol, un precursor de fármaco común, a partir de "materiales de partida simples" con la ayuda de un catalizador de hierro homogéneo tolerante a los ácidos y a temperatura ambiente.
Catálisis "homogénea" significa que los materiales de partida, el catalizador, el disolvente y, en última instancia, el producto y el subproducto se disuelven en un único recipiente de reacción. Por lo tanto, deben separarse después de cada paso de reacción, purificarse y prepararse para el siguiente paso, como explica el Dr. Fessler.
"Si se logra ahorrar uno de estos pasos en el proceso químico, se reduce en gran medida la cantidad de tiempo y material necesarios y se minimizan los residuos". Esto es exactamente lo que logró con la reacción con pirrol, utilizando una reacción en cascada.
La sustitución de metales nobles como catalizadores por hierro y similares se ha convertido en un tema de investigación atractivo a nivel internacional. LIKAT ha adquirido una gran experiencia en este campo durante los últimos años. Johannes Fessler calcula que una cuarta parte de sus jóvenes colegas del instituto trabajan en la catálisis de metales no nobles en sus tesis doctorales.
Por un lado, este trabajo ayuda a conservar los recursos. El Dr. Fessler afirma:"La tarea de una gestión sostenible y climáticamente neutra la enfrenta la industria química, así como todos los demás sectores". El hierro es abundante y constituye el 5% de la corteza terrestre. Y después del hierro y el titanio, el manganeso es el metal de transición más común (este nombre proviene de su lugar en la tabla periódica) en la Tierra.
Por otro lado, hay una razón por la que hasta ahora los metales comunes sólo han desempeñado un papel marginal en la química orgánica. "En los procesos catalíticos suelen ser menos estables que los catalizadores fabricados con metales nobles", afirma el Dr. Fessler. "Además, suelen trabajar a altas temperaturas y presiones en la zona que estoy investigando."
Sin embargo, condiciones tan duras destruirían las moléculas complejas en la producción de medicamentos. Las estructuras químicas que garantizan el efecto específico de un fármaco, los llamados grupos funcionales de la molécula, están especialmente en riesgo.
En este sentido, es un gran éxito poder mostrar cómo los catalizadores hechos de hierro, manganeso y cobalto pueden funcionar a veces en condiciones de reacción significativamente más suaves en comparación con la práctica anterior.
En el caso del pirrol, se trata de temperaturas entre 20 y 30 grados centígrados. Los experimentos de Johannes Fessler revelaron otra ventaja de su enfoque:sus catalizadores de metales no nobles convertían con mucha precisión sólo aquellas moléculas que los químicos necesitaban en la síntesis real. "A este enfoque lo llamamos altamente selectivo. Apenas produce subproductos o residuos."
Johannes Fessler comprobó el funcionamiento fiable de su reacción con distintos principios activos y precursores de fármacos. "Queríamos asegurarnos de que el catalizador de hierro también activa el lugar correcto en la molécula para estas sustancias y preserva los grupos funcionales sensibles". De este modo, el químico probó su método con fármacos muy utilizados para reducir el colesterol y medicamentos para la presión arterial, entre otros.
Finalmente, la reacción en cascada mencionada al principio requiere como sustancia inicial una sustancia que contiene nitrógeno llamada nitroareno, que se hidrogena en el primer paso con ácido fórmico y un catalizador de hierro disponible en el mercado y luego se somete inmediatamente a una reacción posterior para formar pirrol. El pirrol es una sustancia química fina común en el sector farmacéutico. Es uno de los heterociclos, compuestos de carbono con forma de anillo en los que un átomo de carbono (C) es reemplazado por otro elemento, p. nitrógeno (N).
La reacción en cascada consta de dos pasos. En el primero, el nitroareno se hidrogena para formar una amina, también conocida como anilina, un anillo de benceno con un grupo amino (NH2 ), que inmediatamente entra en una reacción posterior. En esta reacción posterior, el segundo paso, el grupo amino se hace reaccionar con un compuesto dicarbonilo con eliminación de agua. Por tanto, se condensa para formar pirrol.
La cascada se produce gracias al ambiente ácido, del que el ácido fórmico es responsable en una doble función, como agente reductor y como ácido. Sin embargo, esto requiere un catalizador que funcione bien en condiciones ácidas. Este es precisamente el caso del catalizador a base de hierro utilizado por Johannes Fessler.
Más información: Johannes Fessler et al, Aplicación de los principios de la química verde a la catálisis del hierro:síntesis dominó suave y selectiva de pirroles a partir de nitroarenos, Ciencia química (2023). DOI:10.1039/D3SC02879H
Proporcionado por el Instituto Leibniz de Catálisis
