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Catalytic Csp3-H functionalization via carbene insertion meets sustainability: Developing an unprecedented Iron methodology

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Un catalizador de hierro artificial para romper los enlaces más resistentes y menos reactivos de la naturaleza

Investigadores financiados con fondos europeos desarrollaron un catalizador de hierro capaz de activar de forma selectiva un enlace carbono-hidrógeno. Su labor permite acceder a un nueva era en la sostenibilidad de la química para la síntesis de una amplia gama de moléculas orgánicas.

Tecnologías industriales

La química orgánica diferencia entre enlaces reactivos o funcionales y enlaces inertes o no funcionales carbono-carbono y carbono-hidrógeno. Los enlaces inertes generan un armazón fuerte para la síntesis química de moléculas con los grupos reactivos. La funcionalización de los enlaces carbono-hidrógeno pone en entredicho este modelo. Cuando se activan al acercarse a un grupo funcional, los enlaces carbono-hidrógeno se convierten en reactivos. Esta reacción implica romper el enlace entre el carbono y el hidrógeno y, a continuación, intercambiar el hidrógeno con un heteroátomo, esto es, carbono, oxígeno o nitrógeno.

Catalizadores sintéticos más baratos y eficientes

Iniciar una reacción de forma selectiva en el enlace carbono-hidrógeno resulta complejo, ya que las moléculas orgánicas suelen contener una gran cantidad de estos enlaces. Los catalizadores pueden proporcionar dicha selectividad, pero la mayoría son metales preciosos y caros, como el rodio. El proyecto FeCHACT, financiado por las Acciones Marie Skłodowska-Curie, dio con una forma de sustituir los metales caros y reducir así los costes de producción de moléculas orgánicas complejas. El equipo de investigadores al cargo desarrolló un catalizador compuesto por hierro capaz de romper enlaces carbono-hidrógeno. «Nuestro objetivo fue diseñar un catalizador de hierro que funcionalizara enlaces inertes carbono-hidrógeno mediante una reacción de transferencia de carbeno, y de forma ideal en condiciones no extremas», indica Miguel Costas, Coordinador de FeCHACT. La transferencia de carbeno a enlaces inertes carbono-hidrógeno se lograba hasta ahora sobre todo mediante catalizadores de metales preciosos. Estudios recientes mostraron que las enzimas dependientes del hierro tienen la misma reactividad. «Nos propusimos diseñar un catalizador de hierro artificial capaz de producir las mismas reacciones químicas», añade Costas.

Desentrañar los mecanismos de la reacción subyacente

«Utilizamos metodologías sintéticas nuevas que son más respetuosas con el medio ambiente que los métodos más modernos. También ofrecen una amplia gama de opciones químicas que pueden dar lugar a la producción de varias quimiotecas de moléculas orgánicas», explica costas. Los investigadores diseñaron un catalizador que presenta un número bajo de coordinación y crea un centro de hierro muy electrofílico. La combinación de este catalizador con un cocatalizador de litio contribuyó a la mejora de la actividad catalítica y activó compuestos azoicos —un precursor del carbeno— para crear una especie muy reactiva que permite insertar carbeno en enlaces inertes carbono-hidrógeno. A diferencia de otros sistemas rígidos basados en hierro anteriores, este compuesto de hierro orto-fenilendiamina electrofílico permite realizar inserciones intra e intermoleculares de carbeno en distintos enlaces carbono-hidrógeno inertes alifáticos, mediante intermediarios hierro-carbeno en condiciones no extremas (25 °C). El sistema combinado hierro-litio mostró una actividad y selectividad comparables a la de los catalizadores de carboxilato de rodio. «Estudios sobre la mecánica de la activación de los enlaces carbono-hidrógeno mostraron un proceso concertado que incluye la reacción de inserción de un fragmento de carbeno en el enlace carbono-hidrógeno de interés, en lugar de un proceso activado por la transferencia de un átomo de hidrógeno», aclara Costas. La reacción de inserción dio lugar a la formación de dos nuevos enlaces carbono-carbono y a la generación de los compuestos carbocíclicos deseados.

Un gran potencial

«Entender el mecanismo de la reacción nos podría permitir en breve diseñar un catalizador estereoselectivo para crear productos enriquecidos por enantiómeros, un tipo de estereoisómeros que contienen estructuras que no son la imagen especular no superponible de la otra. Esta tecnología podría resultar enormemente útil para la industria farmacéutica, por ejemplo para la síntesis de fármacos», explica Costas. En general, las actividades de FeCHACT sirven de trampolín para nuevos progresos en la síntesis química fina que empleen materiales más abundantes y baratos que el rodio. Es más, demostró los primeros catalizadores de hierro que pueden romper enlaces muy poco reactivos con eficacia.

Palabras clave

FeCHACT, enlace carbono-hidrógeno, catalizador de hierro, inserción de carbeno, rodio, enantiómero

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