Una “cesta” molecular ha permitido a los científicos revelar una forma inédita en que los metales de tierras raras se unen al oxígeno y lo disocian. El hallazgo, liderado por el químico Raúl Hernández Sánchez de la Universidad Rice, abre la puerta a explorar compuestos altamente reactivos con aplicaciones en biología y fármacos.
En el cuerpo humano, el hierro y el oxígeno interactúan en procesos clave. El ejemplo más conocido es la hemoglobina, donde el hierro se une al dioxígeno (dos átomos de oxígeno unidos) para transportar oxígeno por el torrente sanguíneo. Además, el hierro forma compuestos altamente reactivos llamados óxidos de hierro, que participan en funciones biológicas como las reacciones de las enzimas hepáticas que metabolizan fármacos.
Hernández Sánchez se preguntó si el oxígeno podría formar compuestos similares con un grupo distinto de metales, los del bloque f, ubicados cerca de la parte inferior de la tabla periódica. Este grupo incluye a los lantánidos (fila superior) y los actínidos (fila inferior). El investigador propuso que, si los lantánidos lograran unirse al oxígeno de la manera adecuada, generarían compuestos oxo de lantánidos altamente reactivos. Estas moléculas podrían servir como alternativas sintéticas a los oxos de hierro, brindando a los químicos de moléculas pequeñas nuevas herramientas para estudiar reacciones vinculadas a la biología.
Un desafío clave para los científicos era la creencia de que los metales del bloque f, como los lantánidos, no establecían interacciones pi con moléculas pequeñas como el oxígeno, un tipo de enlace crucial en materiales biológicos como las proteínas. Ahora, un estudio publicado en el Journal of the American Chemical Society describe un método que logra que el dioxígeno forme esas interacciones con el neodimio, un metal lantánido, permitiendo así la creación de compuestos oxo de lantánidos.
La clave del avance es una "cesta molecular", una plataforma de ligandos desarrollada previamente. Según R. Hernández Sánchez, profesor asistente de química, "se puede pensar en ella como una cesta que nos permite capturar metales y posicionarlos de manera que se favorezcan tipos específicos de enlaces". Cada cesta, del tamaño justo para albergar un solo átomo de metal del bloque f, se colocó frente a otra. Entre ambas, los investigadores dispusieron seis átomos, incluyendo una molécula de dioxígeno, que conectaban los dos átomos de neodimio. Esta disposición generó un entorno de ligando octacoordinado, lo que permitió ajustar con precisión las posiciones de los metales.
"Una vez que tuvimos el lantánido en nuestra cesta de ligandos, comenzamos a explorar su reactividad con sustratos de moléculas pequeñas hasta que encontramos las condiciones adecuadas para detectar dioxígeno de una manera sin precedentes", explicó Hong-Lei Xu, investigador postdoctoral y primer autor del artículo.
En las condiciones adecuadas, el neodimio y el dioxígeno generaron interacciones pi que antes se consideraban improbables, produciendo una molécula de oxo de lantánido. “La capacidad de unir el dioxígeno a los metales del bloque f y romper el enlace entre los dos átomos de oxígeno nos permite descubrir potencialmente oxos de lantánidos altamente reactivos y formar productos químicos de alto valor añadido. Podríamos abrir un nuevo capítulo en la química de los lantánidos”, afirmó Hernández Sánchez. Aunque el estudio se centró únicamente en el neodimio, el equipo cree que la misma estructura de ligando podría sustentar reacciones similares con la mayoría de los lantánidos y probablemente también con los actínidos. Los investigadores ahora pueden estudiar si estos compuestos altamente reactivos podrían reemplazar a los oxos de hierro en la química sintética, y también comprobar si los oxos de lantánidos ofrecen capacidades que los compuestos a base de hierro no poseen.
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