Física y Quimica

Premio Nobel de Química 2021

Premios Nobel

 

 

 

Fotos y esquemas: Fundación Nobel

Texto: adaptado y traducido de Fundación Nobel

Más información:

  nobelprize.org

 

Premio Nobel de Química 2021

 Benjamin List

David W.C. MacMillan

Benjamin List (1968). Alemania

David W.C. MacMillan (1968). Reino Unido.

"Por el desarrollo de la organocatálisis asimétrica."

Traducción del inglés Documento Fundación Nobel traducido

Los químicos pueden crear nuevas moléculas uniendo elementos, pero manejar esos pequeños bloques invisibles para que se unan de la manera deseada es difícil. Benjamin List y David MacMillan reciben el Premio Nobel de Química 2021 por el desarrollo de una nueva e ingeniosa herramienta para la construcción de moléculas: la organocatálisis. Sus usos incluyen la investigación de nuevos productos farmacéuticos y también ha ayudado a que la química sea más ecológica.

El descubrimiento que ha recibido el Premio Nobel de Química 2021 ha llevado la construcción molecular a un nivel completamente nuevo. No solo ha hecho que la química sea más verde, sino que también ha facilitado mucho la producción de moléculas asimétricas. Durante la síntesis química, a menudo se pueden formar dos moléculas que, al igual que nuestras manos, son imágenes especulares. Muchas veces solo se desea sintetizar una de ellas, particularmente cuando se fabrican productos farmacéuticos, pero ha sido difícil encontrar métodos eficientes para hacer esto. El concepto desarrollado por Benjamin List y David MacMillan, la organocatálisis asimétrica, es tan simple como brillante. El hecho es que mucha gente se ha preguntado por qué no lo habíamos pensado antes.

En principio, todos los catalizadores descubiertos antes del año 2000 pertenecían a uno de dos grupos: eran metales o enzimas. Los metales son a menudo excelentes catalizadores porque tienen  capacidad  para tomar o dar  electrones a otras moléculas durante la reacción.

Sin embargo, el problema de algunos catalizadores metálicos es que son muy sensibles al oxígeno y al agua, por lo que, para que funcionen, necesitan un entorno libre de oxígeno y humedad. Esto es difícil de lograr en procesos industriales a gran escala. Además, muchos catalizadores metálicos son metales pesados que pueden ser perjudiciales para el medio ambiente.

Una segunda categoría de catalizadores está compuesta por proteínas conocidas como enzimas. Muchas enzimas son especialistas en catálisis asimétrica y, en principio, siempre forman uno de los dos isómeros posibles. También trabajan en cadena, cuando una enzima termina, otra entra en acción. De esta forma pueden construir moléculas complicadas con una precisión asombrosa, como el colesterol, la clorofila o la toxina estricnina, que es una de las moléculas más complejas que conocemos.

 Benjamin List se preguntó... los aminoácidos, ¿tienen que formar parte de una enzima para catalizar una reacción química? ¿O podría un solo aminoácido, u otras moléculas simples similares, catalizar la reacción?

Él sabía que había investigaciones de principios de la década de 1970 en las que un aminoácido, la prolina, se había utilizado como catalizador. Sin muchas expectativas probó si la prolina podría catalizar una reacción aldólica, en la que se crean enlaces C-C entre dos moléculas. Fue un intento simple que, sorprendentemente, funcionó de inmediato

Con sus experimentos, Benjamin List no solo demostró que la prolina es un catalizador eficiente, sino que puede también impulsar la catálisis asimétrica. De los dos posibles isómeros, se obtenía más cantidad de uno que del otro.

A diferencia de los investigadores que habían probado previamente la prolina como catalizador, List entendió el enorme potencial que podría tener. En comparación con los metales y las enzimas, la prolina es una excepcional herramienta para los químicos. Es una molécula muy sencilla, barata y respetuosa con el medio ambiente. En sus publicaciones List habló de la catálisis asimétrica con moléculas orgánicas como un nuevo concepto con muchas oportunidades: “El diseño y cribado de estos catalizadores es uno de nuestros objetivos futuros”.

No obstante, no estaba solo. En un laboratorio más al norte de California, David MacMillan  había comenzado a diseñar moléculas orgánicas simples que, al igual que los metales, pudieran funcionar como dadores/aceptores de electrones.

Apoyándose en su experiencia, intuyó que para que una molécula orgánica pudiera catalizar una reacción, debería de tener un ion iminio, debido a que su átomo de nitrógeno tiene una elevada afinidad por los electrones.

Tal como había esperado, funcionó estupendamente. Algunas moléculas orgánicas también funcionaron muy bien en catálisis asimétrica, ya que uno de los dos posibles isómeros constituía más del 90 % del producto.

MacMillan quería encontrar un término que diera a entender a los investigadores que había más catalizadores orgánicos por descubrir. Eligió el término organocatálisis.

De forma independiente, Benjamin List y David MacMillan habían descubierto un concepto de catálisis completamente nuevo. Desde el 2000 los desarrollos en esta área han sido enormes y List y MacMillan mantienen posiciones de liderazgo. Han diseñado multitud de catalizadores orgánicos económicos y estables que pueden utilizarse para impulsar una gran variedad de reacciones químicas.

Los catalizadores orgánicos no solo consisten en moléculas simples, en algunos casos, al igual que las enzimas naturales, pueden trabajar en cadena. Anteriormente, en los procesos de producción, era necesario aislar y purificar cada producto intermedio, para evitar una gran cantidad de subproductos . Esto implicaba pérdidas en cada paso del proceso.

Los organocatalizadores son mucho más versátiles ya que, con relativa frecuencia, se pueden realizar varios pasos del proceso en una secuencia ininterrumpida y la reacción en cascada puede reducir considerablemente el desperdicio en la fabricación.

 

La organocatálisis ha tenido un impacto significativo en la investigación farmacéutica, que con frecuencia requiere catálisis asimétrica. Hasta que los químicos pudieron realizar la catálisis asimétrica, muchos productos farmacéuticos contenían los dos isómeros de una molécula; uno de ellos era el principio activo, mientras que el otro, en ocasiones, podía tener efectos no deseados. Un triste ejemplo  de esto fue el escándalo de la talidomida en la década de 1960, en el que uno de los isómeros de la talidomida cau

só graves deformidades en miles de embriones humanos.

Usando organocatálisis los investigadores pueden obtener grandes cantidades de los diferentes isómeros de forma relativamente simple.

Benjamin List y David MacMillan encontraron una solución ingeniosa a un problema con el que los químicos habían luchado durante décadas. Los organocatalizadores, por tanto, aportan un gran beneficio a la humanidad.