Investigadores de la Universidad de Ámsterdam y del instituto HFML-FELIX en Nijmegen han logrado avances significativos en la comprensión de la estructura molecular de un catalizador organocatalítico basado en tiourea. En su estudio, publicado en el Journal of Physical Chemistry Letters, los científicos han detallado las alteraciones estructurales que sufre el catalizador al unirse con reactivos, utilizando radiación infrarroja del láser de electrones libres FELIX, junto con experimentos de haz molecular y cálculos químicos cuánticos.
Control preciso en la catálisis
Los catalizadores son elementos clave en la química, facilitando conversiones químicas en procesos tan dispares como la producción de alimentos, la síntesis farmacéutica y la energía sostenible. Tradicionalmente, muchos de estos catalizadores son metálicos, lo que puede hacerlos costosos, poco amigables con el medio ambiente y, en ocasiones, tóxicos. Sin embargo, en los últimos años han surgido los organocatalizadores, pequeñas moléculas libres de metales que ofrecen una alternativa más económica, estable y segura, además de ser respetuosos con el medio ambiente.
Estos organocatalizadores pueden proporcionar una alta enantioselectividad, permitiendo un control preciso sobre la formación de variantes conformacionales preferidas (enantiómeros) de una misma molécula, lo que resulta crucial para su actividad biológica. El equipo de investigación, liderado por el profesor Wybren Jan Buma de Fotónica Molecular, ha presentado un enfoque exitoso para determinar la geometría molecular precisa de los organocatalizadores, tanto en su estado nativo como durante la actividad catalítica.
En el estudio, se investigó el modo de acción del «catalizador de Takemoto», un ejemplo de una clase de organocatalizadores que operan de manera similar a las enzimas, utilizando múltiples enlaces de hidrógeno para fijar los reactivos en una conformación estable. La obtención de información precisa y fiable sobre la estructura del catalizador y las interacciones inter e intramoleculares es esencial para el diseño racional de nuevos organocatalizadores más eficientes.
La metodología empleada por Buma y sus colaboradores se basa en la espectroscopía infrarroja utilizando el láser de electrones libres FELIX, operado por el Consejo de Investigación de los Países Bajos (NWO). Si bien anteriormente se habían obtenido huellas infrarrojas de intermediarios involucrados en reacciones catalíticas, esto solo había sido posible para especies iónicas, que son más manejables. Las reacciones que implican especies neutras habían permanecido fuera del alcance hasta ahora.
Los experimentos se llevaron a cabo al fusionar un haz molecular de catalizador y reactivo con la luz infrarroja del láser FELIX, que permite acceder a un amplio rango espectral (de 650 a 3500 cm-1). Las características vibracionales clave del catalizador se encuentran dentro de este rango, así como modos vibracionales sensibles a las interacciones sutiles con el reactivo nitroolefina.
Los investigadores combinaron las detalladas huellas infrarrojas obtenidas con cálculos químicos cuánticos, logrando una caracterización inequívoca del catalizador y del complejo catalizador-reactivo con un nivel de detalle sin precedentes. En este complejo, el catalizador debe adoptar una estructura completamente diferente a la que tiene en su estado aislado, lo que implica una energía mucho más alta.
Las condiciones de alta tasa de colisión durante la expansión del haz molecular permiten «congelar» el intermediario reactivo que precede al resultado final de la reacción. Este avance ha permitido esclarecer el modo de acción del catalizador. Los resultados obtenidos son altamente prometedores, ya que abren la puerta a estudios similares sobre los intermediarios reactivos de reacciones catalíticas que involucran más de un reactivo. Además, la metodología presentada es ampliamente aplicable, lo que representa un avance significativo para estudios similares en una amplia gama de reacciones organo y metalo-catalizadas, cuyos intermediarios reactivos hasta ahora habían permanecido elusivos.
