Alquimia aromática
Nuevas soluciones para la química del flúor
Dos nuevos catalizadores para el refinamiento de aromáticos que utilizan compuestos de flúor y un nuevo bloque de construcción de flúor son algunos de los resultados conseguidos en el Instituto Leibniz de Catálisis de Rostock (LIKAT) el año pasado. En los laboratorios de todo el mundo, el flúor se considera un elemento de moda cuando se trata de aumentar el efecto de las sustancias. Por ejemplo, se podría disminuir la dosis de los medicamentos -y sus efectos secundarios- y reducir el uso de productos agroquímicos. Sin embargo, también es un "elemento difícil", dice el Dr. Helfried Neumann, del LIKAT, cuyo equipo ha dado ahora un nuevo impulso a la química del flúor.
"La introducción de grupos funcionales confiere diversas propiedades a estos anillos".
LIKAT/Nordlicht
Para los profanos puede parecer brujería, pero para los químicos forma parte de la vida cotidiana del laboratorio: el intercambio de un solo átomo en una molécula puede tener una influencia decisiva en las propiedades de una sustancia. Si se sustituye un átomo de hidrógeno por uno de flúor en la síntesis de un medicamento, por ejemplo, el organismo puede absorberlo más rápidamente o de forma más completa de lo habitual.
Los químicos llaman a este intercambio sustitución. Para ello, necesitan catalizadores que activen los materiales de partida. Los dos nuevos catalizadores y el reactivo para la química del flúor fueron desarrollados por un grupo de postdoctorados y estudiantes de doctorado dirigidos por el Dr. Helfried Neumann, líder del gruopu de "Catálisis Homogénea para las Ciencias Vivas" en el LIKAT. Como explica el Dr. Neumann, trabajan para una clase completa de los llamados aromáticos que se encuentran en casi todos los medicamentos.
Más efecto de los productos químicos "cotidianos
Los aromáticos son hidrocarburos con forma de anillo. El representante más famoso es el anillo de benceno, probablemente también conocido por los profanos menos interesados en las clases de química. Sólo por su historia de descubrimiento: la estructura anular del benceno se le apareció a August Kekulé (1829-1896) en un sueño.
Los grupos funcionales confieren diversas propiedades a estos anillos. Por ejemplo, el compuesto aromático de cinco miembros del pirazol contiene dos átomos de nitrógeno y tres grupos CH, cada uno de ellos formado por un átomo de carbono (C) y un átomo de hidrógeno (H). Para dotar a los compuestos de pirazol de propiedades innovadoras, los químicos del LIKAT sustituyen catalíticamente un H de cada molécula por un átomo de flúor (F) o un hidrocarburo fluorado.
Helfried Neumann: "El flúor tiene un radio atómico similar al del hidrógeno, por lo que encaja bien en la geometría molecular. Tras la sustitución, la molécula es significativamente más liposoluble que antes". Dependiendo de cuántos grupos CH de la molécula se sustituyan por grupos CF, las nuevas propiedades pueden variar.
Si, por ejemplo, el pirazol de un principio activo médico se sustituye por un pirazol fluorado, el fármaco puede penetrar más fácilmente en las membranas celulares y llegar a su lugar de acción de forma más selectiva. Este efecto de la sustitución por flúor también es concebible para los fertilizantes y otros productos agroquímicos. En su investigación, el grupo del Dr. Neumann cooperó con la empresa suiza Lonza, un proveedor de productos químicos. Además de las publicaciones científicas, publicadas en las revistas NATURE CHEMISTRY, CHEMICAL COMMUNIKATION y CATALYSIS SCIENCE & TECHNOLOGY, también se han presentado patentes.
Los CFC: Inocuos en el laboratorio
La química del flúor es actualmente uno de los campos de investigación más solicitados. El flúor es el elemento con mayor electronegatividad, lo que significa que es especialmente bueno para atraer electrones hacia sí mismo y, por tanto, se combina fácilmente con otros elementos. Los compuestos de flúor más conocidos son los clorofluorocarbonos (CFC), que se utilizaban como propulsores. Pero durante mucho tiempo pusieron en peligro la atmósfera porque atacaban la capa de ozono. Ésta se está recuperando lentamente desde que se prohibieron los CFC en refrigerantes, aerosoles y otras sustancias de uso cotidiano. En el laboratorio, la manipulación de los CFC es inofensiva, como señala el Dr. Neumann, porque sirven como materiales de partida en los procesos catalíticos y están unidos químicamente.
Para producir el primero de los dos nuevos catalizadores, se aplica una sal de cobalto unida a un esqueleto de carbono que contiene nitrógeno a un material que actúa como soporte. El conjunto se piroliza, explica Helfried Neumann: a 800 grados Celsius, el complejo de cobalto sufre un "proceso de remodelación increíblemente complicado". Estos procesos extremos suelen eludir la observación, por lo que siempre parecen "un poco alquímicos", como dice el Dr. Neumann. Al final, el cobalto, junto con el sustrato y el portador, forma centros muy activos que pueden activar los CFC y reaccionar con los grupos CH de los pirazoles como se desee.
Solución de la difícil separación
Tanto la sustancia de partida sin reaccionar, que también es un disolvente, como el producto fluorado suelen estar presentes en forma líquida, en un mismo recipiente. Por lo tanto, las sustancias deben separarse limpiamente: el pirazol fluorado del pirazol sin flúor. El Dr. Neumann dice: "Esto es problemático porque el flúor y el hidrógeno son muy similares atómicamente y, por tanto, las dos sustancias suelen ser difíciles de distinguir".
La cromatografía en columna con determinadas mezclas de disolventes suele ayudar a la separación. Pero cuando se utilizan bloques de flúor de alto peso molecular, el peso molecular del producto aumenta. La separación se consigue evaporando el pirazol restante, el producto queda entonces como un sólido.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Ye, F., Ge, Y., Spannenberg, A. et al.; "The role of allyl ammonium salts in palladium-catalyzed cascade reactions towards the synthesis of spiro-fused heterocycles"; Nat Commun 11, 5383 (2020).
Shaoke Zhang et al.; "Towards a practical perfluoroalkylation of (hetero)arenes with perfluoroalkyl bromides using cobalt nanocatalysts"; Catalysis Science & Technology; 2020.
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