Fotocatalisadores são materiais que absorvem luz e utilizam essa energia para realizar reações químicas. Na síntese orgânica, os fotocatalisadores suportados em metal são particularmente valiosos porque são robustos e ajustáveis. Ao ajustar os ligantes ligados ao átomo central do metal, os químicos podem ajustar o comportamento do catalisador.
Muitos metais fotocatalisadores amplamente utilizados, incluindo rutênio e irídio, são escassos e caros. Pesquisadores da Universidade de Nagoya, no Japão, introduziram anteriormente um substituto à base de ferro, mas essa versão anterior dependia de um grande número de ligantes quirais caros. Esses ligantes atuam como guias espaciais, determinando o arranjo tridimensional dos produtos químicos finais.
Num estudo publicado em Jornal da Sociedade Química Americanaa equipe apresentou um catalisador de ferro redesenhado que reduz o uso de ligantes quirais em dois terços. O sistema também opera sob um LED azul energeticamente eficiente, tornando as condições de reação mais práticas e potencialmente mais sustentáveis.
Usando este catalisador melhorado, os cientistas completaram uma síntese total assimétrica de (+)-heicamida A. Este composto natural encontrado em plantas medicinais é conhecido por suprimir as rajadas respiratórias. A pesquisa foi conduzida pelo professor Kazuaki Ishihara, pelo professor associado Shuhei Omura e pelo estudante de graduação Hayato Akao da Escola de Pós-Graduação em Engenharia da Universidade de Nagoya.
O design mais inteligente do catalisador de ferro aumenta a eficiência
Em seu artigo de 2023, os pesquisadores criaram um fotocatalisador de ferro que incorpora três ligantes quirais por átomo de ferro. No entanto, apenas um destes ligantes contribuiu realmente para a enantiosseletividade, tornando a abordagem ineficiente.
O catalisador recentemente desenvolvido utiliza um design mais estratégico. Ele combina ligantes bidentados aquirais disponíveis com ligantes quirais para formar uma estrutura específica de sal de ferro (III). O ligante quiral controla a configuração tridimensional do produto, enquanto o ligante bidentado aquiral melhora o desempenho catalítico.
Usando este sistema, a equipe conseguiu uma ciclização altamente controlada de (4 + 2) cátions radicais. Nesta reação, os dois componentes moleculares se unem para formar um anel de seis membros. O processo permite a criação de adutos substituídos em 1,2,3,5, motivos estruturais comumente encontrados em produtos naturais como a heiceamida A.
“O novo design do catalisador representa a forma definitiva de catalisadores redox quirais de ferro (III)”, disse Ohmura, um dos autores correspondentes do estudo. “Acreditamos que esta conquista representa um marco significativo no avanço da fotocatálise à base de ferro.”
A primeira síntese assimétrica total de (+)-heicamida A
Embora os pesquisadores tenham relatado anteriormente a síntese laboratorial da heciamida A, eles não realizaram uma síntese total assimétrica de seu enantiômero natural.
Ao controlar cuidadosamente a formação de um anel de seis membros com um fotocatalisador de ferro ativado por luz azul, a equipe alcançou a primeira síntese assimétrica total de (+)-heicamida A. Os resultados sugerem que o uso do catalisador de imagem espelhada também tornará possível a produção de (-)-heicamida A, proporcionando acesso seletivo a ambos os enantiômeros.
Valor para química farmacêutica
Um novo fotocatalisador de ferro permite a criação de moléculas complexas, incluindo precursores farmacêuticos, usando ferro abundante e LEDs azuis em vez de metais raros.
“Alcançar a primeira síntese total assimétrica de (+)-heicamida A usando esta reação catalítica é uma conquista notável”, disse Ishihara, outro autor correspondente do estudo. “Através da síntese total, pode-se obter acesso a diversas substâncias biologicamente ativas adicionais, cuja etapa principal é a cicloadição de um cátion radical enantiosseletivo (4 + 2). Pretendemos publicar mais artigos sobre a síntese total assimétrica desses compostos em um futuro próximo.”
