Un nuevo mecanismo descubierto por investigadores de las universidades de Binghamton y Búfalo plantea una nueva forma de construir moléculas complejas. El equipo ha conseguido modificar dos átomos de carbono vecinos mediante una única operación química. El trabajo rompe con una regla tradicional de la química sintética y abre nuevas posibilidades para simplificar procesos empleados en el desarrollo de medicamentos.
Para el sector farmacéutico, la principal relevancia reside en la posibilidad de reducir el número de etapas necesarias para obtener determinadas estructuras moleculares. Los átomos de carbono forman la base de la arquitectura de la mayoría de los medicamentos. Poder intervenir sobre ellos de manera más eficiente puede facilitar la preparación de compuestos de mayor complejidad.
Una reacción que rompe una regla clásica de la química
Los enlaces entre carbono y halógeno son herramientas habituales en química sintética. Funcionan como puntos desde los que se pueden impulsar nuevas transformaciones moleculares.
Hasta ahora, su utilización respondía habitualmente a una lógica sencilla. Un halógeno se eliminaba y su posición era ocupada por un solo grupo funcional. Jennifer Hirschi, profesora asociada de química en la Universidad de Binghamton y codirectora del trabajo junto con Patricia Musacchio, resume este principio como una relación de una sustitución por cada punto reactivo.
El nuevo estudio modifica ese esquema. Los investigadores han desarrollado una reacción capaz de introducir dos grupos diferentes sobre dos átomos de carbono contiguos partiendo de un único grupo. El procedimiento permite pasar de bloques moleculares sencillos a estructuras con una complejidad considerablemente mayor en una sola operación.
Menos etapas para construir moléculas de interés farmacéutico
La capacidad de realizar dos modificaciones químicas simultáneamente tiene una implicación directa para la síntesis de compuestos. Permite acortar el número de etapas necesarias para construir determinadas moléculas.
El laboratorio de Musacchio, en Búfalo, probó experimentalmente el método. Para ello utilizó recursos accesibles. Entre ellos figuran luces LED azules comerciales y un alcohol empleado como disolvente.
Esta característica añade interés al descubrimiento desde la perspectiva de la industria farmacéutica. La técnica no se basa únicamente en una nueva explicación teórica. También ha podido aplicarse experimentalmente para producir nuevas estructuras moleculares utilizando herramientas descritas por los investigadores como accesibles y de bajo coste.
La luz azul activa el nuevo mecanismo químico
El equipo de Binghamton analizó en paralelo qué ocurría durante la reacción. Los estudios mecanísticos estuvieron encabezados por el investigador postdoctoral Tamal Das.
Los científicos recurrieron a modelos computacionales avanzados, entre ellos cálculos basados en la teoría del funcional de la densidad y dinámica molecular ab initio. El objetivo era determinar con precisión cómo evolucionaba la reacción.
Los resultados muestran que la luz azul desencadena la transferencia de un átomo de hidrógeno. Este proceso se combina con una reorganización electrónica dentro de la molécula. Como consecuencia, un enlace carbono-halógeno puede convertirse directamente en un intermedio reactivo denominado catión radical alqueno.
Habitualmente, obtener este tipo de cationes exige catalizadores con una elevada capacidad oxidante. El nuevo procedimiento consigue generar el intermedio bajo condiciones más suaves gracias al papel del disolvente utilizado.
El papel decisivo del alcohol fluorado
Una de las claves de la reacción está en el empleo de un alcohol fluorado como disolvente. Sus moléculas forman una red de enlaces de hidrógeno alrededor del halógeno cuando este se separa.
Esta red estabiliza el halógeno liberado. La energía obtenida en ese proceso compensa la necesaria para romper el enlace inicial. Esa interacción permite que la transformación avance sin recurrir a las condiciones fuertemente oxidantes asociadas normalmente a la generación de estos intermediarios reactivos.
Comprender este mecanismo permitió a los investigadores ampliar el alcance de la reacción. El método se probó con diferentes tipos de sustratos y dio acceso a nuevas combinaciones moleculares.
Nuevas posibilidades para ampliar la complejidad molecular
Al generar dos puntos reactivos contiguos, los científicos pudieron construir pequeñas estructuras cíclicas y crear enlaces con elementos relevantes como nitrógeno, oxígeno y azufre.
La metodología funcionó a partir de bromuros, cloruros y fluoruros. También pudo utilizarse con alcoholes sin protección. Además, el equipo detectó una variante en la que el halógeno cambia de posición y pasa al átomo de carbono adyacente. Esa nueva ubicación puede utilizarse como punto reactivo en transformaciones posteriores.
Esta versatilidad amplía el interés del trabajo para la química sintética. En lugar de limitarse a una transformación concreta, el mecanismo proporciona distintas vías para convertir materiales de partida sencillos en compuestos de mayor complejidad.
Una nueva herramienta para la I+D farmacéutica
La investigación, financiada por los Institutos Nacionales de Salud de Estados Unidos (NIH), establece un nuevo marco para trabajar con enlaces carbono-halógeno y construir moléculas de potencial interés terapéutico.
Desde una perspectiva B2B, el avance resulta especialmente relevante para las actividades de investigación y desarrollo farmacéutico. La reducción de operaciones necesarias para alcanzar estructuras complejas puede modificar la forma de abordar determinadas rutas sintéticas y ampliar las posibilidades disponibles para diseñar nuevos compuestos.
El objetivo de los investigadores va más allá de fabricar medicamentos con mayor rapidez. Patricia Musacchio apunta también a la posibilidad de crear moléculas farmacológicas más complejas capaces de dirigirse a objetivos médicos difíciles.
