¿PUNTOS CUÁNTICOS EN SÍNTESIS ORGÁNICA? DESCUBRE LA FOTOCATÁLISIS A LA CARTA

Julio Puigcerver Alarcón

Los anillos de ciclobutano son unos de los fragmentos más habituales en la estructura de muchos fármacos y moléculas bioactivas. La estrategia más común para sintetizar precursores con esta subestructura son las reacciones de cicloadición [2+2] entre alquenos inducidas por luz. Para que estas reacciones ocurran de una manera eficiente, es preciso que los sustratos alcancen un estado de excitación triplete (T₁)^[1], esto se consigue con la presencia de un “activador” capaz de excitarse con la luz y producir un tránsito de energía hacia el sustrato de la reacción.

Por otro lado, las cicloadiciones [2+2] presentan una gran variedad de posibilidades, tanto regio como estereoquímicas, a la hora de dar los productos. El trabajo de Emily A. Weiss et al.^[2] destaca precisamente por controlar de forma precisa la selectividad de estas reacciones, en concreto cicloadiciones entre derivados del ácido 4-vinilbenzoico. Y este control lo consiguen empleando puntos cuánticos coloidales de CdSe como activadores y como anclajes para aproximar los reactivos (Figura 1).

Fig. 1. Esquema del tránsito energético entre los puntos cuánticos y los reactivos y, del anclaje de los reactivos a la superficie del punto cuántico.^[2]

En este trabajo consiguen, en primer lugar, una regioselectividad de hasta un 98% para el producto de adición HH (Head-Head) o para el producto HT (Head-Tail) según en la posición en la que coloquen el grupo carboxílico (anclaje con el punto cuántico) en las moléculas de reactivos. Por otro lado, el hecho de que los sustratos se encuentren adheridos sobre una superficie hace que se obtenga mayoritariamente el diastereoisómero syn frente al anti con un 98% de exceso diastereomérico (Figura 2).

Fig. 2. Comparación de la regio- y diastereoselectividad de los productos empleando puntos cuánticos y Ir(ppy)₃ como activador.^[2]

Y, por último y más interesante, en una mezcla entre dos alquenos distintos, consiguen obtener mayoritariamente el producto de cicloadición heteromolecular, es decir, entre los dos alquenos diferentes. Y esto lo logran modificando el tamaño de los puntos cuánticos de tal forma que sus estados excitados se ven alterados “a la carta” para que solamente exciten a uno de los reactivos (Figura 3).

Fig. 3. Rendimientos obtenidos para los productos de cicloadición hetero- y homomolecular empleando distinto tamaño de punto cuántico y otros activadores.^[2]

Para concluir, es importante destacar la relevancia de este trabajo, ya que la mayoría de biomoléculas que presentan ciclobutanos en su estructura lo hacen con sustituyentes distintos.^[3] Por tanto, este método que favorece el acoplamiento heteromolecular, controlando además la regio- y la diastereoquímica, abre nuevas puertas en el campo de la síntesis orgánica de moléculas bioactivas.

[1] Hörmann, F. M., Chung, T. S., Rodriguez, E.,Jakob, M. & Bach, T. Evidence for triplet sensitization in thevisible-light-induced [2+2] photocycloaddition of eniminium ions. Angew.Chem. Int. Ed. 57, 827–831 (2018).

[2] Jiang, Y., Wang,C., Rogers, C.R. et al. Regio- and diastereoselectiveintermolecular [2+2] cycloadditions photocatalysed by quantum dots. Nat. Chem. 11, 1034–1040 (2019).

[3] Gutekunst, W. R. & Baran, P. S. Applications of C–H functionalization logic to cyclobutane synthesis. J. Org. Chem. 79, 2430–2452 (2014).

EL ADOLESCENTE DE LA QUÍMICA ORGÁNICA

Guillermo Cutillas Font

Todo ser humano que llega a su madurez tiene que pasar antes por una época oscura llamada adolescencia. Durante esos años se tiene una enorme energía aunque es prácticamente incontrolable, siendo imposible saber de qué forma va reaccionar ante cualquier estímulo.

            La Química Orgánica también tiene a su adolescente: los carbinos. Esta especie orgánica presenta tres electrones no enlazados: un par de electrones desapareados y un radical (Figura 1a).[1] Se trata de una especie muy reactiva, haciendo que su preparación y manipulación sea muy complicada. Debido a ello, el estudio de los carbinos es bastante reducido.

Figura 1

            Las primeras investigaciones se realizaron sobre complejos metálicos que albergaban carbinos, los cuales se descomponían liberando al medio de reacción carbinos libres. A pesar de ello, estas reacciones proporcionaban elevadas cantidades de productos no deseados, dando lugar a un rendimiento bajo.

            Para conseguir controlar a un adolescente es necesario imponer unas normas. Por ello, Wang et al.[2] como buenos padres restrictivos, han diseñado un compuesto con dos grupos enmascaradores que, tras ser irradiado con luz, uno de ellos se desprende para liberar un equivalente carbino, controlando de esta forma su reactividad. Si se continúa excitando el compuesto, este finalmente desprende el segundo grupo, y acaba reaccionando con el sustrato (Figura 1b). De esta forma, es posible crear tres nuevos enlaces en un único paso.

            Para mostrar el alcance de estos compuestos, Wang y sus colaboradores mostraron la transformación que sufre el isobutilbenceno con el mismo procedimiento. Así, se consigue crear un nuevo anillo, implicando la formación de dos enlaces C-C y un enlace C-H (Figura 2). Además, esta reacción se lleva a cabo en condiciones suaves y con una alta selectividad.

Figura 2

            Es posible controlar el proceso de desenmascaramiento modificando las condiciones de la reacción, para obtener de esta manera otro derivado orgánico muy interesante: diazoacetatos (Figura 3). Los diazoacetatos son importantes intermedios en rutas sintéticas, ya que permiten acceder a otros muchos grupos funcionales. Esta característica es de gran relevancia para la química farmacéutica.

Figura 3

            Sin embargo, como todo adolescente es inevitable que continúe haciendo ciertas trastadas, y por ello los carbinos no se comportan bien en cualquier situación. Por ejemplo, estos no son compatibles con grupos amino básicos, y la interacción con moléculas complejas junto con la presencia de grupos retiradores de electrones, reduce la selectividad de forma considerable.

            Es innegable que esta especie orgánica es capaz de acceder a diazocompuestos de una forma que no tiene precedentes, con una economía atómica y eficiencia a considerar. También presentan una capacidad de convertir moléculas sencillas en estructuras realmente complejas.

            Quien sabe si dentro de pocos años, profundizando en la investigación de los carbinos, se consigue que maduren finalmente y lleguen a mostrar todo el potencial que existe tras ellos.

[1] Beckwith, R. E. J. Reactive Carbon Species Tamed for Synthesis. Nature 2018, 554 (7690), 36-38. https://doi.org/10.1038/d41586-018-01308-7

[2] Wang, Z.; Herraiz, A. G.; del Hoyo, A. M.; Suero, M. G. Generating Carbyne Equivalents with Photoredox Catalysis. Nature 2018, 554 (7690), 86-91. https://doi.org/10.1038/nature25185