por Uno de los principales desafíos para los químicos sintéticos es controlar los radicales libres. Moléculas altamente reactivas con electrones desapareados, los radicales libres pueden resultarle familiares; estos son el tipo de moléculas con las que tomamos suplementos antioxidantes, en un esfuerzo por controlar el estrés oxidativo.
Sin embargo, en el mundo de la química sintética, los radicales libres son muy prometedores.
«La química de radicales libres es extremadamente útil para la síntesis de moléculas pequeñas bioactivas y polímeros cotidianos», dijo el profesor de química de UC Santa Barbara, Yang Yang, autor de un artículo sobre el tema que aparece en Catálisis de la Naturaleza. «Sin embargo, imponer estereocontrol en las reacciones mediadas por radicales libres ha eludido a la comunidad de catálisis asimétrica durante décadas. Estamos tratando de desarrollar estrategias biocatalíticas para ampliar aún más los límites de la química de radicales libres».
Para desbloquear por completo el potencial sintético de los radicales libres, Yang y sus colegas se están centrando en la estereoquímica, también conocida como química 3D, que se centra en la orientación tridimensional de los átomos y las moléculas. La estereoquímica de las moléculas orgánicas tiene un efecto significativo en sus propiedades. Por ejemplo, (S)-carvona o carvona «zurda» es el componente principal que causa el olor distintivo de la menta. A diferencia de, (R)-carvone o carvone «diestro» se encuentra en las semillas de alcaravea y tiene un olor completamente diferente. Por lo tanto, controlar con precisión la estereoquímica es un objetivo importante de la química sintética. Para lograrlo, los químicos recurren a los catalizadores, sustancias que permiten reacciones químicas sin consumirse ni transformarse en el proceso, haciéndolas reutilizables.
Lograr este tipo de control estéreo no es poca cosa. «En general, es muy difícil dirigir los radicales libres hacia la estereoquímica deseada», dijo Yang. Los radicales libres, una vez formados, no interactúan fuertemente con el catalizador. Además, estos radicales son esencialmente libres en otro sentido: pueden alejarse rápidamente de los sitios potencialmente reactivos.
Pero Yang y sus colaboradores tienen algunos trucos bajo la manga: metaloenzimas, proteínas naturales con un centro de metal reactivo, que pueden generar y atrapar esos radicales libres para transformaciones selectivas.
«Específicamente, en este artículo estamos resolviendo un problema en este campo, que es cómo controlar la adición estereoselectiva de una especie radical a un compuesto aromático», dijo Yang. «El radical en este caso proviene del material de partida racémico».
Aquí es donde entra en juego la química tridimensional. «Racémico» significa que consiste en proporciones iguales de moléculas «zurdas» y «diestras» (también conocidas como «quirales»), moléculas asimétricas compuestas de los mismos átomos, además de ser químicamente idénticas, pero imágenes especulares entre sí. Al igual que tus manos, puedes unirlas en el reflejo, pero no puedes apilarlas cara a cara de la misma manera. Lo cual, en circunstancias normales, causaría problemas a las enzimas.
«Las enzimas son ampliamente vistas como catalizadores muy específicos», dijo Yang. «Si las enzimas son muy específicas, lo que sucede a menudo en la naturaleza, la enzima solo puede reconocer y convertir una forma enantiomérica de un compuesto quiral», dijo Yang. «Y, por lo general, la enzima no acepta su imagen especular.
«Pero en nuestro trabajo», continuó Yang, «pudimos crear una enzima que puede aceptar formas tanto levógiras como levógiras del material de partida, y luego convertir estos materiales de partida en el mismo producto enantiomérico principal con gran selectividad».
En su artículo, los investigadores utilizaron una enzima dependiente de hierro para generar especies radicales altamente reactivas. A través de la evolución directa, diseñaron un conjunto de enzimas de hierro selectivas para producir productos para zurdos o para diestros con gran selectividad. Además, con una tercera enzima de «resolución cinética», los investigadores pueden convertir selectivamente el material de partida de la mano izquierda, dejando intacto el material de partida de la mano derecha.
«Entonces tenemos una caja de herramientas de enzimas para permitir diferentes tipos de estereocontrol para la funcionalización radical de compuestos aromáticos», dijo Yang. «Sin embargo, estas enzimas difieren entre sí solo por unas pocas mutaciones». Yang espera que esta creciente caja de herramientas de biocatalizadores ayude a otros a obtener un mejor control sobre su química 3D, un problema clásico al que se siguen enfrentando los químicos orgánicos.
«Nuestras metaloenzimas brindan una posible solución general para controlar la selección de radicales libres», dijo Yang. «Por lo tanto, esperamos que las soluciones biocatalíticas que hemos creado faciliten la síntesis y el estudio de compuestos quirales en el mundo académico y la industria».
