Un novedoso 'cesto molecular' revoluciona la química del neodimio y su interacción con el oxígeno

Los procesos biológicos en el cuerpo humano dependen en gran medida de la interacción entre el hierro y el oxígeno. Un ejemplo destacado es la hemoglobina, donde el hierro se une al oxígeno para transportarlo en la sangre. Sin embargo, el uso de compuestos de hierro también se extiende a reacciones biológicas esenciales, como las que realizan las enzimas hepáticas para descomponer fármacos.

Explorando la química del oxígeno más allá del hierro

El químico de la Universidad de Rice, Raúl Hernández Sánchez, se propuso investigar si el oxígeno podría formar compuestos similares con un grupo de metales ubicados en la parte inferior de la tabla periódica, conocidos como metales f-block. Los lantánidos ocupan la fila superior, mientras que los actínidos se encuentran debajo de ellos.

Hernández Sánchez planteó que si los lantánidos podían unirse al oxígeno de la manera adecuada, podrían producir compuestos oxo altamente reactivos. Estos compuestos podrían ofrecer alternativas sintéticas a los oxos de hierro y proporcionar a los químicos nuevas herramientas para estudiar reacciones biológicas.

Sin embargo, había un obstáculo significativo: no se creía que los metales f-block, especialmente los lantánidos, interactuaran con pequeñas moléculas como el oxígeno a través de interacciones pi, que son cruciales en muchos materiales biológicos, incluidos las proteínas.

En un estudio publicado en el Journal of the American Chemical Society, Hernández Sánchez y su equipo presentaron un método que permitió que el dioxygen formara interacciones pi con el neodimio, un metal lantánido. Este proceso facilitó la creación de compuestos oxo de lantánido.

Un cesto molecular para el neodimio

"Desarrollamos una plataforma de ligandos hace unos años", explicó Hernández Sánchez. "Se puede pensar en ella como un cesto que nos permite capturar metales y posicionarlos de manera que fomenten tipos específicos de uniones".

Cada cesto molecular era lo suficientemente grande como para contener un solo átomo de metal f-block. Los investigadores colocaron dos de estos cestos uno frente al otro, y entre ellos, organizaron seis átomos, incluido una molécula de dioxygen, que conectaba los dos átomos de neodimio.

Esta disposición creó un entorno de ligando octacoordinado, brindando a los científicos la capacidad de ajustar finamente las posiciones de los metales.

"Una vez que tuvimos el lantánido en nuestro cesto de ligandos, comenzamos a explorar su reactividad hacia sustratos de pequeñas moléculas hasta que encontramos las condiciones adecuadas para obtener dioxygen de una manera sin precedentes", dijo Hong-Lei Xu, un investigador postdoctoral y primer autor del artículo.

Desbloqueando un nuevo tipo de unión con el oxígeno

Bajo las condiciones adecuadas, el neodimio y el dioxygen formaron interacciones pi que previamente se consideraban poco probables. La reacción produjo una molécula oxo de lantánido.

Ahora, los investigadores pueden investigar si estos compuestos altamente reactivos podrían reemplazar a los oxos de hierro en la química sintética. También pueden evaluar si los oxos de lantánido ofrecen capacidades que los compuestos basados en hierro no tienen.

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

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

La investigación recibió apoyo de fondos iniciales de la Universidad de Rice, la Fundación Robert A. Welch y una subvención de la Fundación Welch (C-2142-20230405).

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