Científicos descubren una diminuta “cesta” molecular que desata un nuevo y poderoso tipo de química

El hierro y el oxígeno interactúan en muchos procesos importantes del cuerpo humano. El ejemplo más conocido es la hemoglobina, donde el hierro se une al dioxígeno, es decir, a dos átomos de oxígeno unidos, para que el oxígeno pueda ser transportado a través del torrente sanguíneo.

El hierro también forma compuestos altamente reactivos conocidos como óxidos de hierro. Estos compuestos participan en otras funciones biológicas, incluidas las reacciones llevadas a cabo por las enzimas hepáticas que ayudan a metabolizar los fármacos.

Explorando la química del oxígeno más allá del hierro

El químico Raúl Hernández Sánchez, de la Universidad Rice, quería saber si el oxígeno podía formar compuestos similares con un grupo diferente de metales ubicados cerca de la parte inferior de la tabla periódica. Estos se conocen como metales del bloque f. Los lantánidos ocupan la fila superior, mientras que los actínidos se encuentran debajo.

El investigador propuso que, si los lantánidos pudieran unirse al oxígeno de la manera adecuada, podrían producir compuestos oxo de lantánidos altamente reactivos. Estas moléculas podrían servir como alternativas sintéticas a los oxos de hierro y brindar a los químicos de moléculas pequeñas nuevas herramientas para estudiar reacciones relacionadas con la biología.

Un obstáculo importante se interponía en el camino. Se creía que los metales del bloque f, en particular los lantánidos, no interactuaban con moléculas pequeñas como el oxígeno mediante interacciones pi. Estas interacciones son importantes en muchos materiales biológicos, incluidas las proteínas.

En un estudio publicado en el Journal of the American Chemical Society, describen un método que permite que el dioxígeno forme interacciones pi con el neodimio, un metal lantánido. Este proceso posibilita la creación de compuestos oxo de lantánidos.

Una cesta molecular para el neodimio

"Teníamos una plataforma de ligandos que desarrollamos hace unos años", dijo Hernández Sánchez, profesor asistente de química. "Se puede pensar en ella como una cesta que nos permite capturar metales y posicionarlos de manera que se favorezcan tipos específicos de enlaces".

Cada cesta molecular era lo suficientemente grande como para albergar un único átomo de metal del bloque f. Los investigadores colocaron dos de estas cestas una frente a la otra. Entre ellas, dispusieron seis átomos, incluyendo una molécula de dioxígeno, que conectaban los dos átomos de neodimio.

Esta disposición creó un entorno de ligando octacoordinado, lo que permitió a los científicos ajustar con precisión las posiciones de los metales.

"Una vez que tuvimos el lantánido en nuestra cesta de ligandos, comenzamos a explorar su reactividad con sustratos de moléculas pequeñas hasta que encontramos las condiciones adecuadas para detectar dioxígeno de una manera sin precedentes", dijo Hong-Lei Xu, investigador postdoctoral y primer autor del artículo.

Descubriendo un nuevo tipo de enlace de oxígeno

En las condiciones adecuadas, el neodimio y el dioxígeno formaron interacciones pi que antes se consideraban improbables. La reacción produjo una molécula de oxo de lantánido.

Los investigadores ahora pueden estudiar si estos compuestos altamente reactivos podrían reemplazar a los oxos de hierro en la química sintética. También pueden comprobar si los oxos de lantánidos ofrecen capacidades que los compuestos a base de hierro no poseen.

Aunque el estudio se centró únicamente en el neodimio, Hernández Sánchez y su equipo creen que la misma estructura de ligando podría sustentar reacciones similares con la mayoría de los lantánidos y probablemente también con los actínidos.

"La capacidad de unir el dioxígeno a los metales del bloque f y romper el enlace entre los dos átomos de oxígeno nos permite descubrir potencialmente oxos de lantánidos altamente reactivos y formar productos químicos de alto valor añadido. Podríamos abrir un nuevo capítulo en la química de los lantánidos", afirmó Hernández Sánchez.