Uno de los desafíos centrales para los químicos sintéticos es imponer el control sobre los radicales libres. Moléculas altamente reactivas con un electrón desapareado, los radicales libres pueden resultarle familiares; este es el tipo de moléculas para las que tomamos suplementos antioxidantes, en un esfuerzo por controlar el estrés oxidativo.

Sin embargo, en el mundo de la química sintética, los radicales libres son muy prometedores.

« La química de radicales libres es muy útil para la síntesis de moléculas pequeñas bioactivas y polímeros cotidianos », dijo el profesor de química de UC Santa Barbara, Yang Yang, autor de un artículo sobre el tema que aparece en Nature Catalysis. « Sin embargo, imponer estereocontrol sobre las reacciones mediadas por radicales libres ha eludido a la comunidad de catálisis asimétrica durante décadas. Estamos tratando de desarrollar estrategias biocatalíticas para ampliar aún más los límites de la química de radicales libres ».

Para desbloquear por completo el potencial sintético de los radicales libres, Yang y sus colegas se centran en la estereoquímica, también conocida como química 3D, que se centra en la orientación tridimensional de los átomos y las moléculas. La estereoquímica de las moléculas orgánicas tiene un impacto significativo en sus propiedades. Por ejemplo, la (S)-carvona o carvona « zurda » es el ingrediente principal que explica el olor distintivo de la menta. Por el contrario, la (R)-carvona o carvona « diestra » se encuentra en las semillas de alcaravea y tiene un olor completamente diferente. Por lo tanto, controlar con precisión la estereoquímica es un objetivo importante de la química sintética. Para lograrlo, los químicos recurrieron a los catalizadores, sustancias que permiten reacciones químicas sin que se consuman o transformen en el proceso, haciéndolas reutilizables.

Lograr este tipo de control estéreo no es poca cosa. « En general, es muy difícil dirigir los radicales libres hacia la estereoquímica deseada », dijo Yang. Los radicales libres, una vez formados, no interactúan estrechamente con el catalizador. Además, estos radicales son esencialmente libres en otro sentido: pueden alejarse rápidamente de los sitios reactivos potenciales.

Pero Yang y sus colaboradores tienen algunos trucos bajo la manga: metaloenzimas, proteínas naturales con un centro de metal reactivo, capaces de generar y controlar esos radicales libres para transformaciones selectivas.

« Específicamente, en este artículo resolvemos un problema en este campo, que es cómo controlar la adición estereoselectiva de una especie radical a un compuesto aromático », dijo Yang. « El radical en este caso se deriva del material de partida racémico ».

Aquí es donde entra en juego la química tridimensional. « Racémico » significa que el material está compuesto de proporciones iguales de moléculas « zurdas » y « diestras » (también conocidas como « quirales »), moléculas asimétricas que están compuestas por los mismos átomos, por lo que son químicamente idénticas, pero son imágenes especulares entre sí. Al igual que tus manos, puedes emparejarlas en cuanto a reflejos, pero no puedes superponerlas mirando de la misma manera. Lo cual, en circunstancias normales, supondría un problema para las enzimas.

« Las enzimas se perciben ampliamente como catalizadores muy específicos », dijo Yang. « Si las enzimas son tan específicas, lo que sucede a menudo en la naturaleza, entonces la enzima solo puede reconocer y convertir una forma enantiomérica de un compuesto quiral », dijo Yang. « Y muchas veces la enzima no acepta su imagen especular.

« Pero en nuestro trabajo », continuó Yang, « hemos diseñado una enzima que puede aceptar tanto la forma levógira como la levógira del material de partida, y luego convertir estos materiales de partida en el mismo producto enantiomérico principal con excelente selectividad ».

En su artículo, los investigadores utilizaron una enzima dependiente de hierro para producir especies radicales altamente reactivas. A través de la evolución dirigida, diseñaron un conjunto de enzimas de hierro selectivas para producir el producto zurdo o diestro con excelente selectividad. Además, con una tercera enzima de « resolución cinética », los investigadores pueden convertir selectivamente el material de partida de la mano izquierda, dejando intacto el material de partida de la mano derecha.

« Entonces tenemos una caja de herramientas de enzimas para permitir varios tipos de estereocontrol para la funcionalización radical de compuestos aromáticos », dijo Yang. « Y, sin embargo, estas enzimas solo se diferencian entre sí por unas pocas mutaciones ». Yang espera que esta creciente caja de herramientas de biocatalizadores ayude a otros a obtener un mejor control sobre su química 3D, un problema clásico que continúa enfrentando los químicos orgánicos.

« Nuestras metaloenzimas brindan una solución potencialmente general para controlar las selectividades de los radicales libres », dijo Yang. « Entonces, estas soluciones biocatalíticas que creamos facilitarán la síntesis y el estudio de compuestos quirales en la academia y la industria ».