Os fotocatalisadores são materiais que absorvem luz e utilizam essa energia para impulsionar reações químicas. Na síntese orgânica, os fotocatalisadores à base de metais são especialmente valiosos porque são duráveis e podem ser personalizados. Ajustando os ligantes ligados ao átomo central de 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, apresentaram anteriormente um substituto à base de ferro, mas essa versão anterior dependia de grandes quantidades de ligantes quirais caros. Esses ligantes atuam como guias espaciais, determinando a disposição tridimensional dos produtos químicos finais.
Em um estudo publicado no Journal of the American Chemical Society, a equipe revelou um catalisador de ferro redesenhado que reduziu o uso de ligantes quirais em dois terços. O sistema também funciona sob luz LED azul energeticamente eficiente, tornando as condições de reação mais práticas e potencialmente mais sustentáveis.
Com este catalisador melhorado, os cientistas completaram a síntese total assimétrica da (+)-heitziamida A. Este composto natural, encontrado em plantas medicinais, é conhecido por suprimir explosões respiratórias. A pesquisa foi conduzida pelo Professor Kazuaki Ishihara, pelo Professor Assistente Shuhei Ohmura e pelo estudante de pós-graduação Hayato Akao na Escola de Engenharia da Universidade de Nagoya.
Design de Catalisador de Ferro Mais Inteligente Melhora a Eficiência
No trabalho de 2023, os pesquisadores criaram um fotocatalisador de ferro que incorporava três ligantes quirais por átomo de ferro. No entanto, apenas um desses ligantes realmente contribuía para a enantiosseletividade, o que tornava a abordagem ineficiente.
O catalisador recém-desenvolvido utiliza um design mais estratégico. Ele combina ligantes bidentados aquirais acessíveis com ligantes quirais para formar uma estrutura auxiliar específica de sal de ferro(III). O ligante quiral direciona a configuração tridimensional do produto, enquanto o ligante bidentado aquiral melhora o desempenho catalítico.
Usando este sistema, a equipe alcançou uma cicloadição controlada de cátions radicais (4 + 2). Nesta reação, dois componentes moleculares se juntam para formar um anel de seis membros. O processo permite a criação de adutos substituídos em 1,2,3 e 5, padrões estruturais comumente encontrados em produtos naturais, como a heitziamida A.
“O novo design de catalisador representa a forma definitiva de fotoredox de ferro(III) quirais,” afirmou Ohmura, um dos autores correspondentes do estudo. “Acreditamos que esta conquista marca um marco significativo no avanço da fotocatalise à base de ferro.”
Primeira Síntese Total Assimétrica de (+)-Heitziamida A
Embora pesquisadores tenham relatado previamente a síntese laboratorial da heitziamida A, não haviam realizado a síntese total assimétrica de seu enantiómero natural.
Controlando cuidadosamente a formação do anel de seis membros com um fotocatalisador de ferro ativado por luz azul, a equipe alcançou a primeira síntese total assimétrica de (+)-heitziamida A. Os resultados sugerem que, usando a versão espelho do catalisador, também seria possível produzir (-)-heitziamida A, permitindo o acesso seletivo a ambos os enantiómeros.
Implicações para a Química Farmacêutica
O novo fotocatalisador de ferro torna possível construir moléculas complexas, incluindo precursores farmacêuticos, utilizando ferro abundante e LEDs azuis em vez de metais raros.
“Alcançar a primeira síntese total assimétrica de (+)-heitziamida A usando esta reação catalítica é um feito notável,” afirmou Ishihara, o outro autor correspondente do estudo. “Várias substâncias bioativas adicionais podem ser acessadas através da síntese total, com a cicloadição radical cation (4 + 2) enantiosseletiva servindo como um passo-chave. Pretendemos publicar artigos de acompanhamento sobre a síntese total assimétrica desses compostos em breve.”