Un nuevo catalizador resuelve un desafío químico que desconcertó a los científicos

Los cetonas son compuestos que se encuentran en diversas moléculas orgánicas, lo que ha llevado a los químicos a buscar nuevas reacciones que aprovechen su potencial en la formación de enlaces químicos. Sin embargo, una reacción que ha resultado especialmente complicada es la reducción de un electrón de las cetonas, necesaria para generar radicales cetilo. Estos radicales son intermediarios muy útiles en la síntesis de productos naturales y en la investigación farmacéutica, pero la mayoría de las técnicas disponibles están diseñadas para cetonas arilo, no para cetonas alquilo, que son más comunes pero más difíciles de reducir.

Con este desafío en mente, un equipo de químicos orgánicos y computacionales del WPI-ICReDD de la Universidad de Hokkaido desarrolló una estrategia catalítica que finalmente permite la formación de radicales cetilo alquilo. El estudio fue publicado en el Journal of the American Chemical Society y está disponible de acceso abierto.

En trabajos anteriores, los científicos del WPI-ICReDD demostraron que un catalizador de paladio combinado con ligandos de fosfina podía impulsar transformaciones activadas por luz de cetonas arilo, pero el mismo sistema no funcionó para las cetonas alquilo. Sus datos indicaron que los radicales cetilo alquilo se formaban brevemente, pero regresaban inmediatamente un electrón al centro de paladio, un fenómeno conocido como transferencia de electrones de retroceso (BET), antes de que pudiera llevarse a cabo una reacción útil. Como resultado, el material inicial permanecía sin cambios.

Al igual que en la catálisis tradicional basada en paladio, el comportamiento de los catalizadores de paladio fotoexcitados depende en gran medida del ligando de fosfina que se adjunta al metal. El equipo sospechó que elegir el ligando correcto podría desbloquear la reactividad con las cetonas alquilo. El problema era la escala: existen miles de ligandos de fosfina, y realizar pruebas experimentales para una reacción desconocida sería lento, laborioso y generaría desechos químicos innecesarios.

Para superar estas limitaciones, los investigadores recurrieron a la química computacional para reducir el campo de ligandos candidatos. Utilizaron el enfoque de Virtual Ligand-Assisted Screening (VLAS), desarrollado por el profesor asociado Wataru Matsuoka y el profesor Satoshi Maeda en el WPI-ICReDD. Al aplicar VLAS a 38 ligandos de fosfina, el método produjo un mapa de calor que predecía qué tan bien podría cada ligando promover la reactividad deseada al analizar propiedades electrónicas y estéricas.

Guiados por estas predicciones, el equipo seleccionó tres ligandos para pruebas de laboratorio y finalmente identificó el L4 como la opción más efectiva: tris(4-metoxifenil)fosfina (P(p-OMe-C₆H₄)₃). Este ligando suprimió con éxito la BET, permitiendo que las cetonas alquilo generaran radicales cetilo y participaran en transformaciones de alto rendimiento.

El método resultante proporciona a los químicos una forma accesible de trabajar con radicales cetilo alquilo y demuestra cómo VLAS puede guiar rápidamente el desarrollo y la optimización de nuevas reacciones químicas.