A medida que va avanzando la química, se van descubriendo nuevos métodos para sintetizar moléculas con mejores propiedades. El desarrollo de uno de estos métodos ha sido el motivo del Premio Nobel de Química del año pasado, donde los galardonados han sido Benjamin List y David MacMillan. Estos dos químicos desarrollaron de forma independiente (pero simultánea) en el año 2000 un nuevo tipo de catálisis: la organocatálisis asimétrica.
Figura 1. Imagen conmemorativa de Benjamin List y David MacMillan[1]
Benjamin List es un químico alemán nacido en 1968, doctorado en la Universidad Wolfgang Goethe de Fráncfort. En la actualidad trabaja como profesor en la Universidad de Colonia y es director y profesor del Instituto Max Planck para la investigación del carbón.
David William Cross MacMillan es un químico nacido en Escocia en 1968, doctorado en la Universidad de California – Irvine. En la actualidad es profesor de química en la Universidad de Princeton.
Para entender la importancia del descubrimiento de List y MacMillan, primero hay que comprender algunos conceptos base en química. El primero de ellos es saber qué es un catalizador: es una sustancia (compuesto o elemento) capaz de acelerar o retardar una reacción química, permaneciendo éste mismo inalterado, es decir, no se consume durante la reacción. A este proceso se le llama catálisis. [2] Al acabar la reacción que catalizan, los catalizadores pueden recuperarse y volverse a utilizar, por lo que juegan un papel primordial en Química Verde.
Siempre se ha hablado de dos tipos de catalizadores, los metálicos y los enzimáticos. Sin embargo, en el año 2000, estos dos científicos, en Alemania y en Estados Unidos respectivamente, comenzaron independientemente el desarrollo de un nuevo tipo de catálisis, la organocatálisis asimétrica.
Este es un campo relativamente nuevo, que comenzó a investigarse a principio de los años 90, cuando Sorensen y Nicolaou, en su libro Classics in Total Synthesis definieron la catálisis asimétrica afirmando que “En una reacción asimétrica catalítica, se usa una pequeña cantidad de un catalizador enantioméricamente puro, ya sea una enzima o un complejo de metal de transición soluble sintético, para producir grandes cantidades de un compuesto ópticamente activo de un precursor que puede ser quiral o aquiral”.
Actualmente, este planteamiento se ha cambiado, puesto que ahora la catálisis asimétrica se basa en tres pilares, que son la biocatálisis, catálisis metálica y la organocatálisis. Estos últimos se pueden clasificar en cuatro tipos, bases de Lewis, ácidos de Lewis, bases de Brønsted y ácidos de Brønsted, siendo las bases de Lewis los catalizadores más usados. Sin embargo, esta calificación no es absoluta, pues hay algunos catalizadores que pueden ser bifuncionales y, en consecuencia, ser tratados pertenecer a dos categorías a la vez.[3]
La nueva modalidad de catálisis desarrollada por List y MacMillan permite llevar a cabo una catálisis asimétrica, facilitando la obtención de un isómero frente a otro. La eficiencia, pureza, estabilidad y selectividad de estos catalizadores hace que sean realmente útiles en el diseño de estructuras moleculares complejas y en el sector farmacéutico. Algunos fármacos se basan en las propiedades de uno de los isómeros, mientras que el uso del isómero opuesto podría suponer riesgos para la salud; los organocatalizadores permiten obtener selectivamente el isómero deseado.
Un caso muy conocido de esta aplicación es la catástrofe de la talidomida, cuyos isómeros se muestran en la Figura 2. Entre 1956 y 1962, la fabricación de este fármaco con el isómero incorrecto provocó que nacieran en Europa más de 10000 niños con malformaciones corporales graves.
Figura 2. Isómeros R y S de la Talidomida, con efectos sedantes y teratogénicos respectivamente[4]
Por otro lado, la naturaleza de los organocatalizadores los hace muy útiles, respetuosos con el medio ambiente y baratos de producir.[5]
Al ser orgánicos se componen principalmente de carbono, al cual se le pueden unir otros elementos como azufre, oxígeno o nitrógeno, y moléculas como la fosfina. Esto hace que estos catalizadores, al no ser metálicos, no sean tóxicos ni produzcan residuos metálicos.
El concepto de organocatálisis asimétrica es una disciplina tan importante en la Química contemporánea que incluso ha sido reconocido por el presidente del comité de los Premios Nobel, Johan Åqvist. Por medio de un comunicado, Åqvist dijo que "Este concepto de catálisis es tan simple como ingenioso, y el hecho es que mucha gente se ha preguntado por qué no habíamos pensado en ello antes".[6]
Actualmente, esta área es muy puntera y muchos científicos se dedican a su investigación. A modo de ejemplo, en la Figura 3 se muestran las publicaciones en registradas en la base de datos bibliográfica “Web of Science” con la etiqueta de “catálisis asimétrica”. A partir del impulso a su desarrollo en el año 2000 los galardonados Benjamin List y David MacMillan, las publicaciones anuales sobre este tema han ido en aumento, llegando a tener un pico en 2016 de 484 publicaciones.
Figura 3. Análisis de las publicaciones a lo largo de los años [7]
A continuación se recopilan los tres artículos de Benjamin List más citados sobre este tema:
(1) Kampen, D.; Reisinger, C. M.; List, B. Chiral Bronsted Acids for Asymmetric Organocatalysis. In Asymmetric Organocatalysis, List, B. Ed.; Topics in Current Chemistry, Vol. 291; 2009; pp 395-456.
(2) Mahlau, M.; List, B. Asymmetric Counteranion-Directed Catalysis: Concept, Definition, and Applications. Angewandte Chemie-International Edition 2013, 52 (2), 518-533. DOI: 10.1002/anie.201205343.
Igualmente, estos son los tres artículos de David MacMillan más citados sobre este tema:
(4) Beeson, T. D.; Mastracchio, A.; Hong, J. B.; Ashton, K.; MacMillan, D. W. C. Enantioselective organocatalysis using SOMO activation. Science 2007, 316 (5824), 582-585. DOI: 10.1126/science. 1142696.
(5) MacMillan, D. W. C. The advent and development of organocatalysis. Nature 2008, 455 (7211), 304-308. DOI: 10.1038/nature07367.
(6) Nicewicz, D. A.; MacMillan, D. W. C. Merging photoredox catalysis with organocatalysis: The direct asymmetric alkylation of aldehydes. Science 2008, 322 (5898), 77-80. DOI: 10.1126/science.1161976.
Para el lector novato, recomendamos este corto vídeo sobre el Premio Nobel de Química de 2021:
Vídeo 1. Explicación Nobel para novatos [8]
Para el lector más experto, recomendamos estos dos videos explicativos, que exploran en más en profundidad el proceso por el cual funcionan estos nuevos catalizadores. Los videos están en inglés británico, aunque existe la opción de subtitularlos al español:
Video 1. Primera parte del video explicativo sobre el Premio Nobel[9]
Video 2. Segunda parte del video explicativo sobre el Premio Nobel[10]
Referencias
[1] Figura 1: "Imagen conmemorativa de Benjamin List y David MacMillan"
https://www.bbc.com/mundo/noticias-58800343 (Fecha de acceso 27/11/2022)
[2] Definición de catalizador: https://www.quimica.es/enciclopedia/Catalizador_%28qu%C3%ADmica%29.html
(Fecha de acceso 28/11/2022)
[3] Actualidad de los organocatalizadores:
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/cr078412e (Fecha de acceso 16/12/2022)
[4] Figura 2: "Isómeros R y S de la Talidomida, con efectos sedantes y teratogénicos respectivamente"
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