Fotocatalisadores são materiais que absorvem luz e usam essa energia para conduzir reações químicas. Na biossíntese, os fotocatalisadores à base de metal são particularmente valiosos porque são duráveis e personalizáveis. 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 uma alternativa à base de ferro, mas a 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.
Em um estudo publicado Jornal da Sociedade Química AmericanaA equipe revelou um catalisador de ferro redesenhado que reduz o uso de ligantes quirais em dois terços. O sistema também funciona sob iluminação LED azul energeticamente eficiente, tornando os cenários de feedback mais realistas e potencialmente mais sustentáveis.
Com a ajuda deste catalisador melhorado, os cientistas conseguiram a síntese total assimétrica da (+)-hetziamida A. Este composto natural, encontrado em plantas medicinais, é conhecido por suprimir erupções respiratórias. A pesquisa foi conduzida pelo professor Kazuaki Ishihara da Escola de Pós-Graduação em Engenharia da Universidade de Nagoya, pelo professor assistente Shuhei Ohmura e pelo estudante de graduação Hayato Akao.
O design inteligente do catalisador de ferro melhora a eficiência
Em seu trabalho de 2023, os pesquisadores desenvolveram um fotocatalisador de ferro que incorporava três ligantes quirais por átomo de ferro. No entanto, apenas um destes ligantes contribuiu realmente para a enantiosseletividade, tornando o método ineficaz.
O catalisador recém-desenvolvido utiliza um design mais estratégico. Ele combina ligantes quirais com ligantes bidentados aquirais acessíveis para formar uma estrutura específica de sal de ferro (III). Os ligantes quirais determinam a configuração tridimensional do produto, enquanto os ligantes bidentados aquirais melhoram o desempenho catalítico.
Usando este sistema, a equipe conseguiu uma ciclização de cátions radicais (4 + 2) altamente controlada. Nesta reação, dois componentes moleculares se unem para formar um anel de seis membros. O processo permite a formação de adutos substituídos em 1,2,3,5, comumente encontrados em produtos naturais como a heitziamida.
“O novo design do catalisador representa a forma específica do catalisador fotoredox quiral 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.”
Primeira Síntese Total Assimétrica de (+)-Hetziamida A
Embora os investigadores tenham relatado anteriormente a síntese laboratorial da heitziamida A, não foram capazes de realizar uma síntese assimétrica total do seu enantiómero natural.
Ao controlar cuidadosamente a estrutura do anel de seis membros com um fotocatalisador de ferro ativado por luz azul, a equipe alcançou a primeira síntese assimétrica total de (+)-hetziamida A. As descobertas mostraram que também seria possível gerar (-)-hetziamida A usando uma versão espelhada do catalisador, permitindo acesso seletivo a ambos os enantiômeros.
Implicações para a química farmacêutica
O novo fotocatalisador de ferro permite produzir moléculas complexas com precursores farmacêuticos utilizando grandes quantidades de ferro e LEDs azuis em vez de metais raros.
“Alcançar a primeira síntese total assimétrica de (+)-hetziamida A usando esta reação catalítica é uma conquista notável”, disse Ishihara, outro autor correspondente do estudo. “Com a cicloadição de cátion radical enantiosseletivo (4 + 2) servindo como uma etapa chave, vários compostos bioativos adicionais podem ser acessados através da síntese total. Pretendemos publicar artigos de acompanhamento sobre a síntese total assimétrica desses compostos em um futuro próximo.”
