El samario (Sm), un metal de tierras raras, es importante para los químicos orgánicos debido a su capacidad para realizar eficientemente reducciones por transferencia de un solo electrón de varios compuestos. Yoduro de samario (SmI2) es moderadamente estable y puede funcionar en condiciones suaves a temperatura ambiente, lo que lo hace muy útil para producir materiales farmacéuticos y biológicamente activos. Sin embargo, la mayoría de las reacciones requieren SmI.2 Cantidades estequiométricas o superiores requieren el uso de productos químicos nocivos, lo que hace que el proceso requiera muchos recursos y sea costoso de gestionar.
Se han estudiado varios métodos para reducir la cantidad de reactivos SM en el catalizador. Sin embargo, la mayoría de los métodos disponibles actualmente requieren condiciones duras y agentes reductores altamente reactivos y aún requieren cantidades significativas de Sm, típicamente entre el 10% y el 20% de la materia prima. Teniendo en cuenta el alto valor de Sm, existe una demanda significativa de un sistema catalizador eficiente que utilice la menor cantidad de Sm posible en condiciones suaves.
En un avance reciente, un equipo de investigación de la Universidad de Chiba en Japón, dirigido por Takahito Koribara, profesor asistente en el Instituto de Investigación Académica Avanzada y Escuela de Graduados en Ciencias Farmacéuticas, desarrolló un método innovador que mide la cantidad de Sm se reduce significativamente. El equipo desarrolló un ligando de óxido de fosfina bidentado sustituido con 9,10-difenil antraceno (DPA) para la coordinación con samario trivalente, lo que permite el uso de luz visible para facilitar las transformaciones reductivas catalizadas por Sm. A este ligando lo llaman antena de luz visible. “Se sabe que los ligandos de antena ayudan en la excitación de metales lantánidos como el Sm. Anteriormente, informamos sobre un ligando de óxido de fosfina secundario sustituido con DPA que sufre reacciones de oxidación bajo luz visible”, explica el profesor asistente Koribara capaz de reducir el proceso. Con esto, diseñamos un nuevo ligando de óxido de fosfina sustituido con DPA que utiliza luz visible para reducir la cantidad de Sm en la superficie catalítica”.
El equipo incluyó a Ayahito Kaneki, Yu Matsuda y Tetsuhiro Nimoto de la Escuela de Graduados en Ciencias Farmacéuticas de la Universidad de Chiba. Su estudio estuvo disponible en línea el 20 de julio de 2024 y se publicó en el volumen 146, número 30. Revista de la Sociedad Química Estadounidense El 31 de julio de 2024.
A través de una serie de experimentos, el equipo de investigación demostró que el uso del catalizador Sm combinado con DPA-1 bajo irradiación de luz azul logró altos rendimientos de hasta el 98 % para las reacciones de acoplamiento de pinacol de aldehídos y cetonas, que se usa comúnmente en productos farmacéuticos. Sorprendentemente, estas reacciones pueden desarrollarse con sólo 1-2% en moles de catalizador Sm, lo cual es una reducción significativa en comparación con la cantidad estequiométrica típicamente requerida. Además, las reacciones también pueden desarrollarse con agentes reductores orgánicos suaves, como por ejemplo aminas, a diferencia de los agentes altamente reductores utilizados hasta ahora.
Los resultados muestran que agregar una pequeña cantidad de agua mejora el rendimiento, mientras que demasiada agua inhibe la reacción. En comparación, DPA-2 y DPA, que son estructuralmente similares a DPA-1, dieron malos resultados.
Para comprender por qué el DPA-1 era tan eficaz, los investigadores estudiaron las propiedades de emisión de una combinación de catalizador Sm y DPA-1. Descubrieron que DPA-1, con su antena de luz visible, actúa como un ligando multifuncional que es compatible con Sm, absorbe selectivamente la luz azul y transmite electrones de manera eficiente desde la antena a Sm.
Los investigadores aplicaron con éxito la combinación de catalizador Sm y DPA-1 a diversas reacciones de transformación molecular, incluida la formación de enlaces carbono-carbono y la escisión de enlaces carbono-oxígeno y carbono-carbono, que son importantes para el desarrollo de fármacos. Además, utilizando la luz visible como fuente de energía, también lograron transformaciones moleculares que combinaban la reducción basada en SM con la fotooxidación.
“Nuestro nuevo ligando de antena de luz visible redujo la cantidad de Sm a 1-2 mol%, una reducción significativa en comparación con las cantidades estequiométricas típicamente requeridas, utilizando luz visible de baja energía”, comentó el profesor asistente Koribara. Y añade: “Es importante destacar que pudimos utilizar Sm trivalente como material de partida, que es más estable y más fácil de manipular que el Sm divalente”.
En general, este estudio proporciona información valiosa para un mayor desarrollo y diseño de catalizadores basados en Sm, que permiten transformaciones reductivas catalizadas por Sm eficientes en condiciones suaves con una carga mínima de Sm, un gran avance en la química orgánica.
