El pasado miércoles 6 de octubre, la Real Academia de las Ciencias de Suecia entregó el prestigioso galardón a los investigadores Benjamin List (1997, Frankfurt, Alemania) y David MacMillan (1968, Bellshill, Reino Unido), por su gran aporte al desarrollo de la organocatálisis asimétrica.
Pero, ¿qué es la catálisis asimétrica? Antes de eso es necesario conocer el concepto de quiralidad.
Los enlaces químicos formados por un átomo de carbono en una molécula orgánica, poseen una disposición tridimensional. Un ejemplo de esto se observa en dos moléculas de cianohidrina (A y B), las que poseen un enlace hacia adelante del plano (véase en la imagen cuña en negro), un enlace hacia atrás (véase cuña entrecortada) y dos enlaces en el plano.
¿Son estos dos productos iguales? No, ya que ambas estructuras no son superponibles. Dicho de otra forma, son imágenes especulares, es decir, si una de ellas se refleja en un espejo, se obtendría una imagen idéntica de la otra. En términos químicos, ambas estructuras son enantiómeros. Y se dice que son quirales si no pueden superponerse a su imagen especular.
Si dos compuestos pueden o no superponerse, dependerá del plano de simetría. Por lo tanto, si un compuesto orgánico posee algún plano de simetría, no es un compuesto quiral, como es el caso de la cianohidrina de acetona.
Si analizamos la etimología de la palabra quiral, se observa que ‘quiral’ -Kheír es mano” en griego. De esto deriva el típico ejemplo de la superposición de las manos. Por mucho que lo intentemos, estas no pueden superponerse.
Resumiendo, y sin entrar en mayores detalles, cada carbono involucrado como centro quiral, recibe una denominación la cual puede ser R o S, dependiendo de la orientación que tengan los grupos funcionales unidos a él. Además, si desvía la luz polarizada a la derecha, reciben la denominación + o D (dextrorrotatorio) y si es hacia a la izquierda, – o L (levorrotatorio). Estas denominaciones permiten identificar algún enantiómero en específico.
En la naturaleza cada compuesto químico cumple una función, la cual muchas veces depende de su quiralidad. Por ejemplo, los olores de la naranja y el limón se diferencian por ser las versiones izquierda y derecha de la misma molécula: el limoneno. El R-(+)-limoneno huele a naranja; mientras que el S-(-)-limoneno corresponde al olor del limón.
En el caso de los fármacos, la diferencia entre los enantiómeros es crucial. La enfermedad de Parkinson es un muy buen ejemplo. Las personas que padecen Parkinson son tratados con el aminoácido no proteico dopa (3-(3,4-dihidroxifenil) alanina. La dopa es quiral, y solo la S-dopa (conocida como L-dopa) es eficaz para restaurar la función nerviosa. La R-dopa no solo es ineficaz, sino que por el contrario es bastante tóxica, por lo que el fármaco debe suministrarse rigurosamente como un solo enantiómero.
Por otro lado, el análogo de la anfetamina, la Dexfenfluramina, que se comercializaba como supresor del apetito, la cual, estimula la producción de la hormona serotonina y hace que el cuerpo se sienta satisfecho. Sin embargo, se descubrió que muchos de los efectos secundarios indeseados que provocaba en las personas se podían evitar administrando únicamente el S-enantiómero.
Otro ejemplo que cabe mencionar, es la Glucosa y su utilización en tratamientos médicos. La Glucosa es el principal carbohidrato involucrado en la obtención de energía para el ser humano. La D-glucosa es más abundante en la naturaleza que la L-glucosa. La L-glucosa no puede utilizarse como fuente de energía en la respiración celular ya que nuestro sistema bilógico no puede metabolizarla durante la glucólisis. Es decir, L-glucosa es menos común y menos activa biológicamente.
Así, la disponibilidad de la D-glucosa y su fácil degradación al interior de nuestro cuerpo, la han llevado a ser la base de muchos fármacos. Un análogo de la D-glucosa, la Fluorodeoxiglucosa F18 (18F-FDG) es un radiofármaco que se produce al interior la Comisión Chilena de Energía Nuclear. Este compuesto quiral es utilizado como radiotrazador en el diagnóstico del Cáncer. Luego de inyectar 18F-FDG en un paciente, este se acumula en las células cancerígenas y mediante un escáner PET (Tomografía por Emisión de Positrones), se pueden obtener imágenes tridimensionales de la distribución de 18F-FDG en el cuerpo.
Desde que se descubrió la quiralidad en las moléculas hace más de 150 años con los primeros descubrimientos de Louis Pasteur, muchos científicos han volcado su investigación a una síntesis selectiva, asimétrica, o también llamada Enantioselectiva. Hasta hace algunas décadas, la síntesis de compuestos quirales era de varios pasos, con largos tiempo de obtención y con bajos rendimientos, debido a la dificultad de separar los enantiómeros; los cuales, se obtenían en diversas proporciones. De hecho, el desarrollo de técnicas cromatográficas fue un gran aliado de los químicos sintéticos.
Ahora bien, volviendo a List y McMillan y teniendo en cuenta todo lo anterior, con el pasar de los años maduró el desarrollo de catalizadores (o aceleradores) de reacciones; los cuales apuntaban a obtener reacciones más selectivas hacia los enantiómeros deseados, especialmente en la industria farmacéutica. Dos tipos de catalizadores, los complejos metálicos y las enzimas, fueron los más estudiados.
En este contexto, el desarrollo de los actuales premios nobel entra en juego, ya que ellos, estudiaron en paralelo una tercera forma de catalizar las reacciones mediante el uso de pequeñas moléculas orgánicas quirales. Estos organocompuestos, muchas veces podían ser la parte activa o quiral de una enzima. Al entregar a cada reacción un ambiente quiral, demostraron la factibilidad y el éxito de una organocatálisis asimétrica. Resultados que facilitaron rápidamente la obtención de innumerables productos para la industria.
Dr. Julio I. Urzúa
Investigador del Centro de Materiales para la Transición y Sostenibilidad Energética
Comisión Chilena de Energía Nuclear
*Nota: Ejemplos de quiralidad obtenidos desde Clayden, J., Greeves, N., & Warren, S. (2012). Organic Chemistry (2nd ed.). Oxford University Press.