Revista de la Societat Catalana de Química

COBERTA Revista Quimica 15.pdf 1 17/10/2016 15:29:05

Societat Catalana Química Revista de la

de

Revista anual de la SCQ, filial de l’Institut d’Estudis Catalans

15 / 2016 URL: http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ ISSN: 2013-9853

Institut d’Estudis Catalans

Revista Quimica 14.indd 4

17/12/2015 8:38:39

Revista de la

Societat Catalana de Química

Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

1 5 / 2016 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

REVISTA ANUAL ISSN: 2013-9853 Dispòsit Legal: B. 40794-2000

Revista Quimica 15.indd 1

14/12/2016 10:30:41

Societat Catalana de Química

Caràcter de la revista

Filial de l’Institut d’Estudis Catalans President: Carles Bo i Jané Vicepresidenta: Nora Ventosa i Rull Secretari: Gregori Ujaque Pérez Tresorer: Ramón Sayós Ortega Vocals: Consol Blanch Colat

Aureli Caamaño Ros

Jordi Garcia Gómez

Josefina Guitart Mas

Jordi Cuadros Margarit

Jordi Llorca Piqué

Rosa Maria Marcé Recasens

Anna Roglans i Ribas

Pau Serra i Prat

Xavier Tomàs Morer Delegat de l’IEC: Àngel Messeguer Peypoch

La revista de la societat catalana de química, adreçada al col·lectiu de químics i estudiants avançats de grau i màster, publica articles de divulgació de química i ciències frontereres. Alhora, també pot incloure seccions i apartats sobre història, docència, Internet, documentació, actualitat i altres temes.

En general, els articles que es publiquen a la revista són per invitació expressa del Consell Editorial, i corresponen a conferenciants que han participat en actes de la Societat i a persones premiades en les diverses convocatòries públiques (Premis de Recerca, Trobada de Joves Investigadors dels Països Catalans...). No obstant això, si hi ha altres persones interessades a publicar-hi un treball, ho hauran de fer saber al Consell Editorial, i indicar-ne el contingut i la llargada aproximada, i aquest en valorarà l’adequació a la línia editorial de la revista.

Poden ser articles de treball de recerca originals o de revisió. Cal tenir present

Revista de la Societat Catalana de Química Director: Carles Bo i Jané (ICIQ) Consell Editorial: Anna Roglans Ribas (UdG), Jordi Garcia Gómez (UB) i Xavier Tomàs Morer (URL) Revisió lingüística: Miquel Aguilar

que els lectors de la revista poden ser químics de qualsevol especialitat i per això es demana als autors que facin un especial esforç a fi de facilitar la comprensió dels seus treballs.

Normes de publicació Les normes detallades de publicació es poden trobar a la pàgina web de la re-

© dels autors dels articles Editat per la Societat Catalana de Química, filial de l’Institut d’Estudis Catalans Carrer del Carme, 47. 08001 Barcelona Telèfon: +34 935 529 106 Fax: +34 932 701 180 A/e: rscq@iec.cat

vista:

http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ Aquesta obra està subjecta —llevat que s’indiqui el contrari en el text, en les fotografies o en altres il·lustracions— a una llicència Reconeixement - No comercial - Sense obres derivades 3.0 Espanya de Creative Commons, el text complet de la qual es pot consultar a http://creativecommons.org/licenses/

REVISTA ANUAL ISSN: 2013-9853 Dispòsit Legal: B. 40794-2000

by-nc-nd/3.0/es/deed.ca.

Així, doncs, s’autoritza el públic en general a reproduir, distribuir i comunicar l’obra sempre que se’n reconegui l’autoria i l’entitat que la publica i no se’n faci un ús comercial ni cap obra derivada.

Revista Quimica 15.indd 2

14/12/2016 10:30:42

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 15 (2016), p. 3-4 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Sumari

Editorial

p. 5

Desxifrant mecanismes enzimàtics per mitjà d’eines computacionals: implicacions biotecnològiques en l’estudi de glicosidases per Lluís Raich i Carme Rovira

p. 9

Nous mètodes de captura i separació de CO2 aplicables a processos industrials per Gerard Alonso, Hèctor Prats, Daniel Bahamón, Fatemeh Keshavarz, Pablo Gamallo, Xavier Giménez i Ramón Sayós

p. 21

Fotocatàlisi amb nanopartícules d’or basada en efectes plasmònics per Marc Padilla, José Luis Bourdelande i Jordi Hernando

p. 31

Avenços cap a la síntesi de les formidolides B i C per Alejandro Gil, Fernando Albericio i Mercedes Álvarez

p. 42

A new class of purely inorganic ligands: carboranylphosphinic acids per Elena Oleshkevich, Francesc Teixidor i Clara Viñas

p. 49

La química computacional aplicada al disseny de marcadors fluorescents per a la diagnosi de la malaltia d’Alzheimer per Francesca Peccati, Xavier Solans Monfort i Mariona Sodupe

p. 57

Síntesi i aplicacions en catàlisi de lligands P-estereogènics: SIP, MaxPHOS, MaxPHOX per Ernest Salomó, Antoni Riera i Xavier Verdaguer

p. 64

Anàlisi directa per espectrometria de masses: desorció per electroesprai (DESI-HRMS) per Raquel Seró

p. 72

Consum i destí dels fàrmacs citostàtics al medi aquàtic per Helena Franquet-Griell, Francesc Ventura i Sílvia Lacorte

p. 78

El Premi Nobel de Química 2015: els mecanismes de reparació del DNA per Ramon Eritja

p. 84

Nova ruta sintètica per a l’obtenció de piridazinones N-arilades a partir de sals d’arildiazoni per Daniel Cassú, Ouissam El Bakouri, Miquel Solà, Anna Pla-Quintana i Anna Roglans

p. 92

Químics catalans al món: Carina Arasa Cid. Elsevier, Amsterdam (Països Baixos)

p. 100

Activitats destacades de la Societat Catalana de Química

p. 103

3

Revista Quimica 15.indd 3

14/12/2016 10:30:42

Revista Quimica 15.indd 4

14/12/2016 10:30:42

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 15 (2016), p. 5-8 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Editorial

Q

uan s’acaba l’any, un cop més, la revista de la societat catalana de química publica un número que ja està disponible a la xarxa.

Hi trobareu un recull d’articles que no són res més que un reflex de l’activitat investigadora de la química a casa nostra. En aquest número del 2016, destaca un conjunt de treballs escrits per joves investigadors (sobretot estudiants de doctorat o postdoctorals) que han participat en la XIV Trobada de Joves Investigadors dels Països Catalans, que es va celebrar els dies 3, 4 i 5 de febrer de 2016 a Perpinyà, i que han destacat en algun dels diferents simposis celebrats. En aquests articles, de temàtiques ben diverses, ens expliquen la seva feina i ens acompanyen per camps de la química que potser no ens són familiars. A més d’aquesta alenada jove, trobareu alguns articles d’investigadors sèniors i, finalment, la secció habitual de «Químics catalans al món» i una ressenya de les activitats més destacades de la nostra Societat al llarg del 2016.

L’edició d’enguany s’inicia amb el treball de Lluís Raich i la doctora Carme Rovira «Desxifrant mecanismes enzimàtics per mitjà d’eines computacionals: implicacions biotecnològiques en l’estudi de glicosidases», que explica alguns exemples d’èxit en l’ús de les eines computacionals per determinar mecanismes de reacció enzimàtics i proposar noves estructures millorades dels enzims estudiats. La trajectòria investigadora del grup de la doctora Rovira impressiona per la quantitat i la qualitat dels treballs generats que han estat recollits en revistes de primer nivell.

A continuació, trobarem un conjunt de vuit articles d’investigadors joves que van ser premiats per les seves presentacions orals en els diferents simposis de la XIV Trobada de Joves Investigadors dels Països Catalans que abans citàvem. Aquest material constitueix, sens dubte, el gros de la revista d’enguany.

El primer és «Nous mètodes de captura i separació de CO2 aplicables a processos industrials» i tracta d’una aplicació de la química computacional ben diferent de la de la doctora Rovira de l’article anterior. Un dels autors, Gerard Alonso, va ser el guanyador del simposi Teoria i modelatge de la XIV Trobada de Joves. El treball explica com un grup de químics del Departament de Ciència de Materials i Química Física de la Universitat de Barcelona, liderat pel professor Sayós, busquen in sili-

Revista Quimica 15.indd 5

co les millors zeolites i materials afins amb una porositat òptima per retenir CO2 atmosfèric. Sens dubte, la recerca d’una forma efectiva d’eliminar CO2 i altres gasos d’efecte d’hivernacle és un objectiu de gran rellevància i actualitat al qual es dediquen grans esforços actualment. L’estudi computacional marca els paràmetres estructurals més prometedors (com ara la relació Si/Al) per a l’objectiu buscat.

Tot seguit trobarem l’article «Fotocatàlisi amb nanopartícules d’or basada en efectes plasmònics», que recull la presentació oral de Marc Padilla, guanyador del simposi Materials i química de l’estat sòlid. Ell mateix, i els coautors José Luis Bourdelande i Jordi Hernando, de la Universitat Autònoma de Barcelona, ens donen una idea de la seva recerca sobre les peculiars propietats òptiques que poden presentar les nanopartícules d’or i la seva aplicació com a potencials fotocatalitzadors. Els autors expliquen els notables avenços aconseguits en el seu laboratori.

Del simposi Metodologia sintètica de compostos orgànics i inorgànics ens arriben dos treballs. El primer, «Avenços cap a la síntesi de les formidolides B i C», té com a autors Alejandro Gil, Fernando Albericio i Mercedes Álvarez, de la Universitat de Barcelona i amb seu al Parc Científic. Es tracta d’un treball sobre la síntesi al laboratori d’uns productes orgànics d’estructura complexa, les formidolides, que s’aïllen en quantitats ínfimes d’una esponja que viu a l’oceà Índic. L’interès rau en la intensa activitat anticancerosa d’aquests nous compostos trobats per l’empresa PharmaMar, SA, que col·labora en el projecte. La font natural no pot proporcionar prou material per a les proves clíniques i el grup del doctor Albericio i la doctora Álvarez intenta suplir aquesta mancança amb una síntesi competitiva en els seus laboratoris. El projecte es troba força avançat i aviat en seran visibles els fruits. El segon treball, «A new class of purely inorganic ligands: carboranylphosphinic acids», d’Elena Oleshkevich, Francesc Teixidor i Clara Viñas, té un caire molt diferent i pertany a l’àmbit de la química inorgànica. La primera autora també ha estat premiada per la seva presentació al mateix simposi. Els autors descriuen la funcionalització de diferents carborans (compostos de tipus clúster de fórmula C2B10H12) en forma de fosfinats o fosfonats que són aïllats i caracteritzats. Aquests nous compostos presenten diferents tipus d’isomeria a causa de la seva particular estructura i es comporten també com a lligands inorgànics aniònics capaços de coordinar-se amb metalls en medi aquós.

5

14/12/2016 10:30:42

A continuació, ens arriba, de Francesca Peccati, Xavier Solans Monfort i Mariona Sodupe, de la Universitat Autònoma de Barcelona, l’article «La química computacional aplicada al disseny de marcadors fluorescents per a la diagnosi de la malaltia d’Alzheimer», on es descriu una nova aplicació de la química computacional en sistemes biològics complexos. Diverses tècniques de càlcul permeten als autors la descripció dels estats excitats de certes molècules orgàniques petites que actuen com a marcadors fluorescents dels agregats de proteïnes de les fibres amiloides causants de la malaltia d’Alzheimer.

Aquesta fluorescència pot oferir una imatge de la quantitat i distribució in vivo de les fibres amiloides en irradiar amb llum infraroja i pot ser d’una gran utilitat per al diagnòstic i l’avaluació de la malaltia. Els càlculs poden ajudar en la recerca de marcadors més eficients. La malaltia d’Alzheimer té uns efectes devastadors i progressius sobre els malalts que la pateixen i constitueix una greu amenaça per a la salut mental de la gent gran, per la qual cosa els avenços en el seu diagnòstic precoç són de vital importància.

El treball següent porta per títol «Síntesi i aplicacions en catàlisi de lligands P-estereogènics: SIP, MaxPHOS, MaxPHOX» i els autors són Ernest Salomó, Antoni Riera i Xavier Verdaguer, del Departament de Química Inorgànica i Orgànica de la Universitat de Barcelona i de l’Institut de Recerca Biomèdica. En aquest treball, premiat al simposi Catàlisi, es descriuen la preparació i les aplicacions d’uns catalitzadors quirals nous des­ envolupats en el grup dels doctors Riera i Verdaguer que s’han mostrat molt eficients en diferents transformacions, com ara cicloaddicions o hidrogenacions catalítiques. Aquests catalitzadors actuen en el cicle catalític del procés com a lligands d’un metall de transició (Ir, Rh, etc.). Estructuralment, es caracteritzen per la presència d’un àtom de fòsfor estereogènic.

En el cas dels catalitzadors MaxPHOX, el lligand porta incorporat un anell d’oxazolina quiral addicional que li confereix el caràcter de bidentat i un excel·lent comportament catalític.

6

Els dos últims treballs d’aquest número que tenen l’origen en la XIV Trobada de Joves Investigadors tenen en comú el fet que aborden problemàtiques de tipus analític. Així, en el simposi Metodologia analítica, va destacar el treball «Anàlisi directa per espectrometria de masses: desorció per electroesprai (DESI-HRMS)», de Raquel Seró, del Departament d’Enginyeria Química i Química Analítica de la Universitat de Barcelona. La Raquel ens introdueix en les tècniques anomenades ambient mass spectrometry, adequades per a l’anàlisi directa de mos-

Revista Quimica 15.indd 6

tres d’origen natural, però també en anàlisi forense o en restauració artística. Aquestes tècniques d’espectrometria de masses operen en un sistema obert a pressió atmosfèrica i permeten l’anàlisi directa de la superfície de la mostra (per exemple, una fulla de planta) amb la mínima manipulació possible. Les mostres poden ser sòlides, líquides i, fins i tot, de gasos adsorbits. En particular, el grup de la Universitat de Barcelona fa servir una font d’ionització per electroesprai (DESI) i en el seu treball ens explica les anàlisis realitzades sobre el perfil de polifenols en fulles de romaní o la contaminació creuada de medicaments veterinaris en pinsos. El treball «Consum i destí dels fàrmacs citostàtics al medi aquàtic», que va presentar com a comunicació oral Helena Franquet-Griell, del Departament de Química Ambiental (IDAEA-CSIC), en el simposi Medi ambient i qualitat de vida, apareix ara en forma d’article signat també per Francesc Ventura i Sílvia Lacorte. En el treball s’aborda la problemàtica que generen per al medi ambient certs fàrmacs citostàtics que s’utilitzen per al tractament del càncer (es calcula que se’n consumeixen unes cinc tones anuals a Catalunya), ja que molts (o alguns dels seus metabòlits) són poc biodegradables i apareixen en les aigües del clavegueram. Després, a les depuradores no són eliminats completament i arriben al medi aquàtic de rius i del mar. Els autors del treball determinen les concentracions previstes de cada fàrmac, PEC (predicted environmental concentrations), a partir de les dades facilitades pel CatSalut, i es controlen les dades experimentals de les analítiques de rius i depuradores (a l’entrada i a la sortida). Els autors assenyalen que l’àcid micofenòlic és el citostàtic amb la PEC més alta detectada i en recomanen el monitoratge en el futur.

La Societat Catalana de Química organitza, pel desembre de cada any, un acte dirigit als seus membres, als estudiants de química i al públic en general, i hi convida un especialista del nostre entorn a fer una conferència divulgativa sobre el Premi Nobel d’aquell any. El desembre passat, el conferenciant convidat va ser el doctor Ramon Eritja, de l’Institut de Química Avançada de Catalunya (IQAC-CSIC), vell conegut nostre, que va impartir la conferència «El Premi Nobel de Química 2015: els mecanismes de reparació del DNA». En l’apartat d’activitats destacades de la Societat d’aquest mateix número de la revista teniu una ressenya de l’acte. La revista d’enguany recull un article amb el contingut molt ben condensat de la conferència fet pel mateix autor sobre els treballs de T. Lindahl, P. Modrich i A. Sancar, guardonats amb el Premi Nobel de Química 2015.

14/12/2016 10:30:42

En el treball següent, «Nova ruta sintètica per a l’obtenció de piridazinones N-arilades a partir de sals d’arildiazoni», Daniel Cassú, Ouissam El Bakouri, Miquel Solà, Anna Pla-Quintana i Anna Roglans, de l’Institut de Química Computacional i Catàlisi (IQCC) i del Departament de Química de la Universitat de Girona, ens mostren com un resultat inesperat es pot convertir en una troballa valuosa. En l’estudi d’un acoblament creuat catalitzat per pal·ladi entre una sal de diazoni i el 2–furantri­ fluoroborat de potassi, s’obtingué com a producte majoritari una piridazinona N-arilada en lloc del producte d’acoblament «normal». L’anàlisi i l’aprofitament d’aquesta nova reacció han portat a l’establiment d’una nova via sintètica a aquestes estructures heterocícliques presents en productes naturals i en certs pesticides sintètics i que té lloc en condicions suaus, sense la necessitat de catalitzador i en medi aquós. Daniel Cassú Ponsatí va rebre per aquest treball de recerca el Premi de la Societat Catalana de Química 2015 en el marc dels Premis Sant Jordi de l’Institut d’Estudis Catalans.

Tot seguit trobem la secció «Químics catalans al món», que ens presenta exemples de químics i químiques de Catalunya que desenvolupen la seva carrera professional, en àmbits de vegades ben variats, en altres països. En aquest número coneixerem la Carina Arasa, que va fer la tesi doctoral al Departament de Química Física de la Universitat de Barcelona sobre un estudi teòric de les reaccions produïdes en les superfícies dels vehicles espacials que tenen lloc durant la seva reentrada a l’atmosfera de la Terra. Després d’haver fet estades postdoctorals a Finlàndia i Holanda, la Carina ha abandonat la química amb ordinadors i s’estabilitza professionalment a Holanda com a editora científica a Elsevier. En el seu article, descriu aquest periple professional i personal.

Aquest número recull també ressenyes breus de les activitats destacades de la Societat durant l’any que s’acaba. Tractarem la ja esmentada XIV Trobada de Joves Investigadors de Perpinyà del febrer de 2016, en un escrit del nostre company Gre-

gori Ujaque. També les conferències Enric Casassas i Fèlix Serratosa, la primera celebrada a la Universitat de Lleida el desembre de 2015 i la segona, a cavall entre Tarragona i Barcelona, l’abril d’enguany. Destacarem altres activitats i actes científics patrocinats, en la mesura de les seves possibilitats, per la Societat. I també dos actes importants organitzats a la seu de l’Institut d’Estudis Catalans: la desena edició dels Premis de Batxillerat 2016, amb una participació molt àmplia, i la Jornada de Commemoració del Premi Nobel de Química 2015.

Aquest editorial acaba, un any més, amb una cordial invitació dels editors a participar en la nostra revista. Els articles que trobareu i que us hem presentat en aquest editorial deriven, en gran manera, de suggeriments o invitacions dels editors, però no sempre és així. La revista està al servei de la comunitat de persones del nostre país que treballen o s’interessen per la química des de qualsevol àmbit (acadèmic, industrial o d’altres). Si voleu fer divulgació de la vostra recerca acadèmica o industrial en aquest camp, o tractar algun tema d’història de la química o d’algun altre àmbit d’aquesta disciplina que pugui ser d’interès per a la nostra comunitat, no dubteu a contactar amb nosaltres (rscq@iec.cat) per enviar-nos treballs per publicar. També per formular-nos qualsevol dubte o suggeriment, que rebrem amb molt de gust. Fins aviat.

Els editors, Jordi Garcia Gómez Universitat de Barcelona jordigarciagomez@ub.edu Anna Roglans i Ribas Universitat de Girona anna.roglans@udg.edu Xavier Tomàs Morer Universitat Ramon Llull xavier.tomas@iqs.edu

7

Revista Quimica 15.indd 7

14/12/2016 10:30:42

Revista Quimica 15.indd 8

14/12/2016 10:30:42

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 15 (2016), p. 9-20 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 DOI: 10.2436/20.2003.01.70 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Desxifrant mecanismes enzimàtics per mitjà d’eines computacionals: implicacions biotecnològiques en l’estudi de glicosidases Unraveling enzymatic mechanisms by means of computational tools: biotechnological implications in the study of glycosidases Lluís Raich1, 3 i Carme Rovira1, 2, 3 1 Universitat de Barcelona. Departament de Química Inorgànica i Orgànica. Secció de Química Orgànica 2 Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA) 3 Institut de Química Teòrica i Computacional de la Universitat de Barcelona (IQTCUB)

Resum: El creixement de la glicòmica (camp anàleg al de la genòmica o la proteòmica però centrat en glicòsids) i el desenvolupament de tests de diagnòstic, vacunes i nous fàrmacs basats en carbohidrats es veuen afectats per la falta de mètodes eficients per a la seva producció. La síntesi enzimàtica, caracteritzada per la seva gran estereo- i regioselectivitat duta a terme en condicions suaus, representa una encoratjadora solució per resoldre aquest problema. En aquest aspecte, les glicosilhidrolases (GH) amb retenció de configuració tenen un gran potencial per ser redissenyades per sintetitzar carbohidrats per transglicosidació. La conversió de glicosidases (GH) a transglicosidases (TG), és a dir, d’enzims que hidrolitzen carbohidrats a enzims que els sintetitzen, ha estat molt estudiada en els darrers anys. Tot i així, la falta d’estructures d’enzims i el desconeixement dels detalls dels mecanismes de reacció limiten el disseny racional de TG. En aquest article exposem com la química teòrica i les simulacions de dinàmica molecular de primers principis poden aportar el coneixement fonamental per a la producció d’aquestes valuoses variants enzimàtiques.

Paraules clau: Catàlisi enzimàtica, carbohidrats, glicosidases, dinàmica molecular, química computacional, mètodes QM/MM.

Abstract: The growth of glycomics (a field analogous to genomics or proteomics but focused on glycosides) and the development of diagnostic tests, vaccines and new therapeutics based on carbohydrates are hampered by the lack of effective tools for their production. Enzymatic synthesis, characterized by its high stereo- and regioselective products obtained under mild conditions, is a promising approach to solve this problem. In this regard, retaining glycoside hydrolases (GHs) have a high potential to be engineered to synthesize carbohydrates by transglycosylation. The conversion of GHs into TGs, i. e. from enzymes that perform hydrolysis to enzymes that perform synthesis, has received great attention in the last few years. Nevertheless, the lack of enzyme structures and the limited knowledge of the molecular basis of transglycosylation is hindering rational design of TGs. In this work, we show how theoretical chemistry and first principles molecular dynamics simulations can provide fundamental insight for the production of such valuable enzymes.

Keywords: Enzymatic catalysis, carbohydrates, glycoside hydrolases, molecular dynamics, computational chemistry, QM/MM approach.

Carbohidrats: els grans desconeguts

L'

antiga concepció que els carbohidrats són simplement una font d’energia ja fa temps que va passar a la història. Avui dia és ben conegut que els carbohidrats desenvolupen un paper fonamental en una gran quantitat de processos moleculars dins la cèl·lula, des de la detecció d’agents patògens, com ara bacteris i virus, fins a la comu-

Correspondència: Carme Rovira Institut de Química Teòrica i Computacional de la Universitat de Barcelona (IQTCUB) C. de Martí i Franquès, 1. 08028 Barcelona Tel.: +34 934 039 254. Fax: +34 933 397 878 A/e: c.rovira@ub.edu

Revista Quimica 15.indd 9

nicació cel·lular o la resposta antiinflamatòria [1]. És per això que hi ha un gran interès en el disseny de fàrmacs que imitin l’estructura de carbohidrats, ja que aquests serien fàcilment assimilats i reconeguts per part del sistema biològic receptor.

Actualment disposem de fàrmacs amb estructura de carbohidrats per tractar malalties com la grip, la diabetis, la sida o el càncer (figura 1) [2]. No obstant això, la síntesi d’aquest tipus de molècules al laboratori és generalment àrdua, ja que requereix anys de treball i se n’obtenen baixos rendiments per mitjà de mètodes de síntesi química convencional [3].

La complexitat química dels carbohidrats no rau únicament en la reactivitat similar dels grups funcionals que els componen (normalment, hidroxils; no és trivial funcionalitzar-ne un

9

14/12/2016 10:30:42

Figura 2. Conformacions d’un anell de piranosa i la seva notació, rellevants per a l’estudi de mecanismes de glicosidases.

Figura 1. Exemples de derivats de sucres que s’utilitzen o estan sota investigació per al tractament de la grip (Tamiflu); càncers renal, colorectal i de pit (swainsonina); diabetis (miglitol); sida i malalties de Fabry i Gauche (Zavesca).

en concret), l’extens nombre de combinacions possibles per unir les unitats de sucre (enllaços 1–1, 1–2, 3–4, etc.) o la seva estereoisomeria (α o β). A més a més, els carbohidrats disposen d’un extens espai conformacional que recentment s’ha descobert que és molt important per al disseny d’inhibidors (figura 2) [4].

Per tant, obtenir al laboratori un derivat d’un carbohidrat concret amb unes característiques ben definides (e. g. pentasacàrid d’enllaços alternats β–1,3–1,4 de glucosa amb el sucre de l’extrem en una conformació rígida 1S3) pot ser una autèntica odissea. Aquest contratemps, clarament, obstaculitza el desenvolupament de tot un arsenal de fàrmacs potencials que podrien usar-se per tractar el gran nombre de malalties relacionades amb enzims actius en carbohidrats.

L’eina clau dels sistemes biològics

10

Com ho fan, doncs, els sistemes biològics per generar aquestes molècules tan complexes? Com sempre, la resposta es troba en l’observació minuciosa de la natura: al llarg d’anys i anys d’evolució, la natura ha dissenyat uns enzims especialitzats que s’anomenen glicosiltransferases (GT), capaços de sintetitzar carbohidrats de manera específica i eficient per mitjà de substrats activats (normalment, monosacàrids com ara la glucosa o la galactosa, units a un nucleòtid com ara l’UDP). El problema a l’hora d’emprar aquests enzims al laboratori és que són de difícil manipulació. A més, l’ús de substrats activats fa que el procés global resulti econòmicament inviable tant per a petits grups d’investigació com per a grans empre-

Revista Quimica 15.indd 10

ses farmacèutiques. La solució a aquestes complicacions, paradoxalment, pot venir d’uns enzims hidrolítics anomenats glicosidases (GH), molt més fàcils de manipular al laboratori i capaços d’usar substrats menys costosos. En particular, les glicosidases que presenten retenció de configuració respecte a l’enllaç que trenquen són les més prometedores i ja s’han desenvolupat estratègies de bioenginyeria per revertir-les a enzims que facin síntesi [5].

Les glicosidases hidrolitzen els enllaços glicosídics dels sucres en dues etapes (figura 3) per mitjà de dos residus catalítics: un nucleòfil (normalment, glutamat o aspartat) i un assistent àcid/base (glutàmic o aspàrtic). La cavitat enzimàtica, dividida en llocs d’unió (o subsites) positius i negatius (on es col·loquen les unitats de sucre del carbohidrat; vegeu la figura 4), afavoreix la reacció i determina la connectivitat i l’estereoisomeria del substrat, la qual cosa fa que el procés sigui ràpid i selectiu.

Els camins hidrolítics i els sintètics no es defineixen fins a arribar a un intermedi de reacció clau (GEI) en el qual l’enzim queda glicosilat (el residu nucleòfil forma un enllaç covalent amb el sucre als subsites negatius), una bifurcació en la qual molècules d’aigua (que defineixen el camí hidrolític) i altres carbohidrats (que defineixen el camí sintètic) competeixen en una cursa per veure qui s’enllaça primer als subsites positius i reacciona (figura 4).

Es tracta, en efecte, d’una competició cinètica on el producte hidrolític té un doble avantatge: a) la reacció es duu a terme en medi aquós (55 M d’aigua enfront de 10−4 M de substrat que s’usa normalment) i b) és el producte termodinàmicament favorable (ca. 3 kcal/mol per a la cel·lobiosa) [6]. Per tal d’afavorir la síntesi o transglicosidació, doncs, cal que la constant de velocitat d’aquest camí compensi els avantatges del camí hidrolític, sigui millorant les interaccions de l’estat de transició sintètic, sigui posant obstacles al camí hidrolític. Es neces-

14/12/2016 10:30:42

Figura 3. Mecanismes de reacció de les glicosidases.

sita, per tant, comprendre a escala molecular com funciona la maquinària d’aquests enzims, desentranyar els seus secrets, per poder realitzar petites modificacions en la seva estructura i, així, revertir la seva funció original.

Transglicosidases: una excepció a la hidròlisi Aquesta idea d’anar contra corrent no és quelcom que no hagi provat ja la natura. Si bé a l’interior de la cèl·lula les molècules energètiques (ATP, UDP…) són abundants, a l’exterior la concentració és molt menor. Aquesta observació va portar a la qüestió de com certs organismes, com ara els fongs, podien mantenir l’homeòstasi de les seves parets glicosídiques sense fer ús de glicosiltransferases [7]. La resposta són uns enzims que estan classificats com a glicosidases (d’acord amb la seva

estructura terciària), però que presenten una activitat sintètica inusitada: les transglicosidases (TG).

Experiments en TG naturals i en variants generades per mitjà d’enginyeria d’enzims demostren com aquests enzims tenen una eficiència catalítica menor (i. e. energies d’activació o barreres de reacció més grans) que els seus anàlegs hidrolítics [7, 9], la qual cosa dóna lloc a productes cinètics estables abans no s’assoleix l’equilibri termodinàmic. És conegut que factors com l’enllaç del substrat acceptor als llocs positius (figura 4), la migració d’aigua dins el centre actiu o les interaccions a l’estat de transició (TS) influeixen en les barreres de reacció; per tant, modificacions en l’enzim que afectin aquests factors poden afectar la relació entre els productes d’hidròlisi i de síntesi. Tot i així, no hi ha una manera directa, fàcil i racional de generar aquestes variants enzimàtiques. El nombre limitat d’estructures de raigs X amb substrats acceptors enllaçats i la falta d’informació molecular durant la reacció de síntesi (particularment, interaccions carbohidrat–enzim que tenen lloc a l’estat de transició) són part de la causa.

Microscopi computacional: desxifrant el mecanisme de reacció d’una transglicosidasa Figura 4. Llocs d’unió (subsites) de les unitats de sucre del carbohidrat en una glicosidasa. L’enllaç glicosídic que l’enzim trenca, sempre situat entre els llocs −1 i +1, està indicat amb una línia vermella. Reproduït amb el permís de [8]. Copyright 2015 American Chemical Society.

Revista Quimica 15.indd 11

Recentment, amb col·laboradors experimentals d’àmbit nacional i internacional, hem desxifrat el mecanisme sintètic d’una transglicosidasa anomenada Gas2, de l’organisme Saccha-

11

14/12/2016 10:30:43

romyces cerevisiae (ScGas2) [10]. Es tracta d’un enzim que es troba ancorat a la paret cel·lular del fong Saccharomyces cerevisiae per mitjà d’un glicolípid (glicosilfosfatidilinositol) i que té per funció mantenir i remodelar l’1,3–β–glucà que la forma [11]. La seva versatilitat fa que sigui capaç tant d’hidrolitzar carbohidrats com de formar-ne, depenent de l’entorn (figura 5a) [12].

El punt de partida del nostre estudi computacional és una estructura cristal·logràfica única per les seves característiques: un intermedi de reacció entre ScGas2 i un tetrasacàrid d’1,3–β–glucosa (G4·ScGas2), juntament amb un pentasacàrid com a substrat acceptor (G5; figura 5b). El simple fet d’atrapar un intermedi de reacció en un enzim ja és important, perquè és una prova experimental irrefutable del mecanisme de dues etapes (figura 3). Encara més rellevant és capturar un substrat acceptor enllaçat al centre actiu, ja que normalment

aquests difonen cap al si de la dissolució en una escala de temps més petita que la de la mesura. Aquesta estructura excepcional, caracteritzada pels nostres col·laboradors experimentals fent ús d’un substrat activat (1–fluoro–1–desoxi–β– glucòsid, G2F) i una variant inactiva de l’enzim (mutació de l’àcid/base), conjuntament amb tècniques d’immersió o soaking (el cristall obtingut se submergeix en una dissolució del substrat acceptor), és la primera estructura d’una TG complexada amb glicòsids naturals. En l’àmbit teòric, representa l’escenari ideal, ja que no cal realitzar cap aproximació de modelització per construir el complex ternari (e. g. per mitjà de tècniques d’encaix molecular o docking).

Un dels problemes computacionals que sorgeixen en estudiar reaccions enzimàtiques és que cal descriure la densitat electrònica del sistema per mitjà de mètodes de mecànica quàntica i, alhora, tractar un nombre d’àtoms molt elevat (per a un

a)

b)

12

Figura 5. a) Transglicosidasa Gas2 de Saccharomyces cerevisiae (Sc Gas2), focus d’aquest treball. b) Mapa de densitat electrònica i estructura de l’intermedi de reacció del mutant Glu176Gln de Sc Gas2 complexat amb un acceptor pentasacàrid obtingut per difracció de raigs X. Per a més claredat, només es mostren les unitats de sucre i els residus catalítics, Glu175 (nucleòfil) i Glu176 (àcid/base). Reproduït amb el permís de [10]. Copyright 2016 American Chemical Society.

Revista Quimica 15.indd 12

14/12/2016 10:30:44

dels enzims més petits, el lisozim de clara d’ou, ≈ 2.000 àtoms, sense tenir en compte les molècules d’aigua del solvent). Avui dia, sistemes quàntics d’aquesta mida són impracticables amb els superordinadors de què disposem.

Aquesta limitació pot superar-se fent ús d’un mètode híbrid o multiescala que tracta el sistema en dos àmbits teòrics diferents (figura 6): d’una banda, mecànica molecular (descripció per mitjà de camps de forces) i, de l’altra, mecànica quàntica (descripció per mitjà de la densitat electrònica). Aquest mètode, conegut per les sigles QM/MM (quantum mechanics / molecular mechanics) [13], fa viable l’estudi de reaccions químiques per a sistemes amb un nombre elevat de graus de llibertat.

Els seus desenvolupadors, A. Warshel, M. Levitt i M. Karplus, varen rebre el Premi Nobel de Química el 2013 [14].

Figura 6. Divisió del sistema (proteïna, carbohidrat i solvent) en dues regions, segons el mètode QM/MM.

Flexibilitat enzimàtica Atès que l’estructura cristal·logràfica representa una mitjana temporal del conjunt de les estructures compatibles amb la temperatura de cristal·lització (ca. 100 K) i l’enzim és actiu a temperatures vora dels 300 K, cal realitzar un «equilibratge» o ajust de l’estructura a la temperatura de treball que sigui suficientment llarg per capturar tots els possibles canvis conformacionals de l’enzim (o, almenys, els més importants).

Aquesta etapa d’equilibratge esdevé especialment necessària en el nostre cas, ja que l’estructura resolta per raigs X correspon a una variant inactiva de l’enzim ScGas2 (mutació d’un residu essencial per a la catàlisi, el residu àcid/base, per evitar que l’intermedi evolucioni cap als productes de la reacció), i en revertir la mutació per modelar l’enzim natural, cal que les interaccions pròximes a la modificació s’equilibrin fins a optimitzar-se.

En aquestes simulacions inicials d’exploració conformacional, en tant que no es trenquen ni es formen enllaços químics, pot fer-se ús de mètodes que descriuen el sistema per mitjà de camps de forces. D’aquesta manera, gràcies al baix cost computacional que requereix cada integració temporal en comparació amb sistemes tractats ab initio, podem assolir escales de temps que arriben als microsegons.

En el cas de l’enzim ScGas2, l’estructura assoleix l’equilibri, d’acord amb l’arrel quadrada de la desviació quadràtica mitjana (RMSD) dels àtoms que formen la cadena principal de l’en-

Revista Quimica 15.indd 13

zim, durant els primers 18 nanosegons. Al cap d’aquest període de temps, la simulació posa de manifest la formació d’interaccions de potencial rellevància per al mecanisme de reacció. Per exemple, un residu d’asparagina (Asn175) forma un pont d’hidrogen amb l’hidroxil 2 (2–OH, en endavant) de la unitat de sucre que està enllaçada a l’enzim (el sucre situat al lloc −1, d’ara endavant, sucre −1; figura 4). Aquesta interacció no es podia haver observat a l’estructura cristal·logràfica a causa de la modificació d’un dels residus essencials proper al 175 (mutació Glu176Gln; figura 5). Un altre detall important de la simulació és que, a diferència d’altres substituents del sucre −1, el 2–OH explora dos estats (o adopta dues configuracions clarament diferenciades; figura 7): un en el qual interacciona per pont d’hidrogen amb el nucleòfil (en endavant, configuració on) i un altre en el qual fa una rotació de 180° per interaccionar amb molècules d’aigua del solvent (configuració off ).

Mitjançant experiments cinètics, s’ha predit que les interaccions dels grups hidroxil (OH) del substrat en la posició −1 poden arribar a contribuir fins a 11 kcal/mol a la barrera de la primera etapa de la reacció (figura 3) [15]. Per tant, el fet que en la simulació teòrica s’observin dues conformacions del 2–OH pot tenir implicacions catalítiques importants. Això posa de manifest la necessitat de tenir en compte la flexibilitat de l’enzim a l’hora de preparar el sistema per al càlcul QM/MM [8, 16]. L’anàlisi de la dinàmica del substrat i l’enzim ens pot donar informació crucial de cara a l’estudi de mecanismes de reacció.

13

14/12/2016 10:30:45

Figura 7. a) Configuracions on i off del grup 2–OH del sucre en el lloc −1 observades en la simulació de dinàmica molecular. b) Interacció de l’Asn175 amb el grup 2–OH. Reproduït amb el permís de [10]. Copyright 2016 American Chemical Society.

Mecanisme molecular de la reacció enzimàtica En general, les reaccions enzimàtiques tenen energies d’activació prou elevades (15-25 kcal/mol; corresponents a temps mitjans de mil·lisegons a segons) perquè els processos que estudiem no es produeixin en l’escala de temps que es pot assolir amb mètodes QM/MM dinàmics (centenars de picosegons usant la teoria del funcional de la densitat). És per això que es requereixen tècniques que permetin incrementar les capacitats exploratòries de les simulacions.

En aquest estudi hem fet ús d’una tècnica anomenada metadinàmica [17], que consisteix a afegir potencials repulsius (normalment, funcions gaussianes) a configuracions explorades dins d’un espai definit per coordenades característiques de la reacció (o variables col·lectives) que cal definir a priori.

Cada potencial repulsiu dipositat fa que l’energia en aquell punt s’incrementi d’acord amb l’alçada de la gaussiana i la probabilitat d’explorar de nou aquella regió, d’acord amb una estadística de Maxwell-Boltzmann, disminueix de manera exponencial. Com a resultat, el sistema explora zones del camí de reacció, incloent-hi reactius, productes, possibles intermedis i estats de transició, alhora que s’obté una estimació de l’energia lliure del procés reactiu.

14

Per descriure el procés de catàlisi enzimàtica de ScGas2, hem escollit tres variables col·lectives: una que preveu el trencament de l’enllaç substrat–enzim (CV1), una altra per a la formació del nou enllaç glicosídic (CV2) i una tercera que considera l’assistència de l’àcid/base desprotonant l’hidroxil de l’acceptor (CV3; figura 8). El càlcul dóna lloc a una superfície

Revista Quimica 15.indd 14

tridimensional (l’energia lliure en funció de les tres variables col·lectives) que es pot representar per mitjà d’una isosuperfície, tot i que presentem els resultats en una projecció bidimensional per tal de facilitar-ne l’anàlisi.

La superfície d’energia lliure de la reacció de transglicosidació, considerant el grup 2–OH en configuració on (figura 9a), clarament indica que el mecanisme de síntesi en ScGas2 és concertat (és a dir, sense cap intermedi de reacció), amb dos mínims (GEI i MC) i un estat de transició (TS). La reacció comença amb l’elongació de l’enllaç entre el sucre enllaçat a l’enzim (el sucre −1) i el residu nucleòfil (Glu275), al mateix temps que l’hidroxil del sucre acceptor en la posició 3′ (3′–OH) es va apropant al carboni anomèric (figura 9b). A l’estat de transició, que es troba 12 kcal/mol per sobre del GEI, l’anell de glucosa del subsite −1 canvia la seva conformació de «cadira» a «sobre» (de 4C1 a 4E), una conformació que afavoreix la deslocalització dels parells solitaris de l’oxigen pirànic (O5) a fi d’estabilitzar la càrrega positiva que es desenvolupa en el

Figura 8. Variables col·lectives (CV1, CV2 i CV3) emprades en la simulació de la reacció de transglicosidació usant la tècnica de metadinàmica. Reproduït amb el permís de [10]. Copyright 2016 American Chemical Society.

14/12/2016 10:30:46

Figura 9. a) Superfície d’energia lliure de la reacció de transglicosidació (projecció en dues variables col·lectives) per a la configuració on. Línies de contorn a 2 kcal/mol. b) Evolució de les distàncies més rellevants al llarg de la coordenada de reacció: enllaç enzim–sucre (vermell), enllaç glicosídic acceptor–donador (verd), Oacceptor−H (rosa) i OGlu176−H (blau). c) Mecanisme de la reacció de transglicosidació obtingut a partir de simulacions de metadinàmica QM/MM. Reproduït amb el permís de [10]. Copyright 2016 American Chemical Society.

carboni anomèric (figura 9c). En aquest punt, el nou enllaç glicosídic es troba parcialment format i el protó de l’hidroxil del sucre acceptor comença a transferir-se al residu àcid/base (Glu176) (la distància O3′–H comença a allargar-se) conservant les mateixes interaccions substrat–enzim presents al GEI. Una d’elles, en particular, el pont d’hidrogen Asn175···2–OH que hem descobert per mitjà de la simulació de dinàmica molecular inicial, és molt interessant en tant que experiments de mutagènesi dirigida mostren que un canvi del residu 175 a alanina (Asn175Ala) inactiva l’enzim. Això suggereix que la interacció Asn175···2–OH afecta significativament l’estat de transició de la reacció de transglicosidació.

Un cop superat l’estat de transició, 21 kcal/mol per sota en energia, es troba el mínim corresponent al producte de síntesi (MC), en què el nou enllaç glicosídic està completament format i el residu àcid/base de l’enzim està protonat. Aquí, el sucre −1 adopta una conformació intermèdia entre una «barca» i un «sobre» (1,4B/4E). Aquesta conformació estaria altament preactivada per a la reacció de glicosilació (noteu que la reacció inversa a la que hem estudiat, en la qual l’enllaç glicosídic es trenca en comptes de formar-se, també és una reacció de glicosilació), d’acord amb el que s’ha descrit en la literatura

Revista Quimica 15.indd 15

per a GH en general [18], ja que situa l’enllaç glicosídic (C1–O3′) en posició axial. És important notar que, en anar del GEI a l’MC, el 2–OH acaba interaccionant amb el mateix àtom d’oxigen del residu nucleòfil que inicialment estava enllaçat al sucre (figura 9c). Per tant, cal esperar que aquesta interacció afecti la reacció enzimàtica.

Com influeix la interacció 2–OH···nucleòfil en el mecanisme i en les barreres de reacció? Com s’ha esmentat abans, els estudis cinètics han predit que aquesta interacció és fonamental perquè la reacció de glicosilació tingui lloc, encara que la seva contribució no s’ha pogut quantificar amb precisió. Per tal de fer-ho, hem simulat la mateixa reacció de la figura 9, però començant a partir de l’estat en què aquesta interacció no està formada, que hem anomenat configuració off (figura 7). Els càlculs mostren que, en aquest cas, el mecanisme continua sent concertat, tot i que l’evolució de les distàncies al llarg de la reacció posa de manifest que el mecanisme és més dissociatiu i asincrònic que en el cas anterior (figura 10b; la regió del TS es troba després de l’encreuament entre les distàncies C1–OGlu275 i C1–Oacceptor). Tanmateix, la reacció és molt més desfavorable des del punt de vista energètic, comparada amb la

15

14/12/2016 10:30:47

Figura 10. a) Superfície d’energia lliure de la reacció de transglicosidació (projecció en dues variables col·lectives) per a la configuració off. Línies de contorn a 2 kcal/mol. b) Evolució de les distàncies més rellevants al llarg de la coordenada de reacció: enllaç enzim–sucre (vermell), enllaç glicosídic acceptor–donador (verd), Oacceptor−H (rosa) i OGlu176−H (blau). c) Mecanisme de la reacció de transglicosidació obtingut a partir de simulacions de metadinàmica QM/MM. Reproduït amb el permís de [10]. Copyright 2016 American Chemical Society.

del cas anterior (quan la interacció 2–OH···nucleòfil estava formada, o configuració on), ja que presenta una barrera de reacció 16 kcal/mol més alta (figura 10a i taula 1).

Una altra diferència rellevant entre ambdós casos (amb i sense interacció 2–OH···nucleòfil) rau en l’itinerari conformacional que segueix el sucre −1. En el primer cas (configuració on), hem vist que segueix un itinerari radial del tipus «cadira» → «sobre» → «barca»/«sobre» (4C1 → [4E]‡ → 1,4B/4E). En canvi, l’itinerari per a la configuració off és inusualment cíclic (capicua): comença amb una conformació «cadira» al GEI, passa per una mitja «cadira» a l’estat de transició i acaba de nou en «cadira» (4C1 → [4H3]‡ → 4C1). Aquesta darrera conformació presenta l’enllaç glicosídic en posició equatorial i el fa menys reactiu de cara a l’atac per part del residu nucleòfil (Glu275) en la reacció de glicosilació (primera etapa de la reacció a la Taula 1. Valors calculats (en kcal/mol) per a les energies lliures de reacció de les configuracions on i off

16

ΔG‡,on

ΔG‡,off

ΔΔG‡,on-off

Transglicosidació

12

28

16

Glicosidació

21

32

11

Revista Quimica 15.indd 16

figura 3). Per tant, la interacció 2–OH···nucleòfil és essencial per a la catàlisi de ScGas2, ja que la seva absència augmenta la barrera de la reacció (en els dos sentits, glicosilació i transglicosidació, per 16 i 11 kcal/mol, respectivament) i influencia les conformacions del substrat durant la reacció. Tenint en compte l’alta conservació d’aquesta interacció, aquests resultats són extensibles a moltes altres glicosidases.

Implicacions biotecnològiques La simulació del mecanisme molecular de la reacció de síntesi (tranglicosidació) de ScGas2 ens ha permès detectar interaccions que desenvolupen un paper fonamental en la reacció. El pont d’hidrogen 2–OH···nucleòfil (figura 10c) és una interacció que contribueix, tal com hem comprovat, 16 kcal/mol a la barrera de la reacció de síntesi. Cal esperar, doncs, que qualsevol altra interacció o residu que d’alguna manera pertorbi aquest pont d’hidrogen tindrà un impacte catalític notori. Aquest és el cas del residu Asn175, que també pot formar un pont d’hidrogen amb el grup 2–OH (Asn175···2–OH, figura 7), de manera que competirà amb el nucleòfil. Resulta interessant que la interacció Asn175···2–OH

14/12/2016 10:30:47

es dóna tant en el GEI com en el TS, però no a l’MC. Això fa pensar que probablement no afectarà igualment les barreres de síntesi (transglicosidació) i de trencament de l’enllaç glicosídic (glicosilació).

Per tal de quantificar la contribució de la interacció Asn175···2–OH a les barreres de reacció, hem dissenyat una sèrie de càlculs en els quals reemplacem el residu Asn175 per alanina (s’han situat dues molècules d’aigua a la cavitat resultant de la substitució d’un residu gran per un de petit). Els resultats demostren que, efectivament, mentre que la barrera de deglicosilació es veu pràcticament inalterada, la barrera de glicosilació augmenta en 6,5 kcal/mol (taula 1). D’una banda, això explica el fet que la variant Asn175Ala de l’enzim sigui catalíticament inactiva, com han demostrat els experiments cinètics [12]. De l’altra, tal com veurem més endavant, els resultats obren la porta a utilitzar aquests tipus de variants per millorar els rendiments en la síntesi de sucres.

El clar desavantatge catalític de la variant Asn175Ala, no obstant això, pot suposar un gran avantatge biotecnològic.

En aquest punt, cal recordar com s’ha pogut «capturar» experimentalment l’intermedi de la reacció de ScGas2 [10] (figura 5). L’ús d’una variant enzimàtica en la qual un dels residus catalítics ha estat abolit (l’àcid/base, Glu176) fa que l’enzim sigui inactiu en tant que totes les barreres de reacció (taula 1) augmenten molt per la falta d’assistència del grup àcid en els processos de trencament/formació de l’enllaç glicosídic. Emperò, s’ha pogut superar la primera barrera (glicosidació, figura 3) per mitjà de l’ús d’un substrat amb un bon grup sortint (G2F) o substrat activat, i així s’ha atrapat l’intermedi en tant que aquest no pot evolucionar cap a productes. Per tant, l’ús d’un substrat activat, junt amb la mutació del residu àcid/base, fa que la primera etapa (glicosilació) sigui prou ràpida i la segona sigui prou lenta per tal que s’acumuli l’intermedi de reacció. Aquesta ha estat l’estratègia seguida pels nostres col·laboradors experimentals per poder caracteritzar posteriorment l’intermedi mitjançant la cristal· lografia de raigs X. De cara a assolir la síntesi (transglicosidació, figura 3), en canvi, ens interessa el contrari. Ens interessa que l’etapa de transglicosilació sigui ràpida per tal d’obtenir el producte, però que l’etapa de glicosilació sigui lenta per tal d’evitar que el producte entri de nou al cicle catalític (com a nou substrat) i s’acabi hidrolitzant.

Revista Quimica 15.indd 17

D’acord amb les prediccions computacionals, la variant enzimàtica Asn175Ala, que elimina la interacció Asn175···2–OH, afecta en 6,5 kcal/mol la barrera de glicosilació, però deixa inalterada la de transglicosilació. Per tant, l’ús d’aquesta variant, juntament amb substrats activats, permetria assolir un intermedi de reacció que, interceptat per un substrat acceptor, donaria el producte de síntesi desitjat. La hidròlisi secundària no podria tenir lloc a causa de l’augment de la barrera de glicosilació i pel fet que el producte de síntesi no és un substrat activat.

Aquesta nova estratègia es pot aplicar a qualsevol glicosidasa que presenti un residu amb un rol equivalent al que adopta el residu Asn175 en ScGas2 (és a dir, que formi un pont d’hidrogen amb el 2–OH). De fet, recentment s’ha trobat que, en un enzim de la família GH1, la mutació Asn163Ala, on Asn163 fa el mateix paper que Asn175 en ScGas2, augmenta el rendiment de síntesi d’un 30 % en l’enzim natural a un 80 % en la variant. Molts altres enzims de diferents famílies presenten residus equivalents a Asn175 en ScGas2. Per exemple, Asn126 en la β–1,4–glicosidasa (Cex, família 10), His108 en la liquenasa de Clostridium thermocellum (CtLic26, família 26), Asn163 en la β–glucosidasa de Thermus thermophilus Hb8 (Ttβ–gly, família 1), Asn175 en la celobiohidrolasa de Trichoderma reesei (Cel7A, família 7) o Asn127 en l’endo–1,4–β–xilanasa d’Streptomyces olivaceoviridis E-86 (família 10). Per tant, efectuar mutacions en aquest residu és una prometedora estratègia per convertir, racionalment, una GH en una TG, és a dir, per convertir un enzim que trenca enllaços glicosídics en un que en forma de nous.

Conclusions «What I can not create, I do not understand». Aquesta frase, atribuïda al premi Nobel de Física de 1965 Richard Feynman, ens serveix per exemplificar el que intentem portar a terme.

En aquest article, hem aprofundit en el coneixement dels detalls moleculars que succeeixen en el centre actiu d’una glicosidasa per tal de crear racionalment variants enzimàtiques amb funcions oposades.

Desxifrant el mecanisme de reacció per mitjà de tècniques computacionals, hem pogut detectar interaccions clau que es formen i es trenquen en passar pels diferents estadis de la reacció. La gran rellevància del pont d’hidrogen 2–OH···nu-

17

14/12/2016 10:30:48

cleòfil, la pèrdua del qual fa modificar el mecanisme i augmentar les barreres energètiques de glicosilació i transglicosilació en 11 i 16 kcal/mol, respectivament, ens ha conduït a examinar el paper d’un residu contigu a l’enzim que interacciona amb l’hidroxil fent un pont d’hidrogen Asn175···2–OH. La supressió d’aquesta interacció fa que l’enzim sigui inactiu per a la glicosilació però actiu per a la transglicosilació, i podem aprofitar aquest fet per sintetitzar nous carbohidrats estables enfront de la hidròlisi secundària fent ús de substrats activats.

Aquest patró d’interacció, present en una multitud de glicosidases de diferents famílies, podria representar un clar objectiu d’experiments de mutagènesi per tal de generar noves variants sintètiques amb aplicacions biotecnològiques.

Agraïments Aquest treball ha estat finançat pel Ministeri d’Economia i Competitivitat (MINECO) (projecte CTQ2014-55174) i per la Generalitat de Catalunya (2014SGR-987). Agraïm el suport dels grups del professor Ramón Hurtado-Guerrero (BIFI-Universitat de Saragossa) i del professor Daan van Aalten (Universitat de Dundee, Regne Unit), amb qui vam col·laborar en la investigació sobre l’enzim ScGas2, així com la col·laboració i les aclaridores discussions amb el professor Antoni Planas (Institut Químic de Sarrià) i amb el professor Gideon J. Davies (Universitat de York, Regne Unit) sobre la química de sucres.

Lluís Raich agraeix també a la Universitat de Barcelona i a l’Institut de Química Teòrica i Computacional (IQTCUB) la beca APIF rebuda per fer el doctorat.

Referències

18

[1] Ohtsubo, K.; Marth, J. D. «Glycosylation in cellular mech­ anisms of health and disease». Cell, núm. 126 (2006), p. 855867.

[2] a) Osborn, H. M.; Evans, P. G.; Gemmell, N.; Osborne, S. D. «Carbohydrate-based therapeutics». J. Pharm. Pharmacol., núm. 56 (2004), p. 691-702. b) Cipolla, L.; Araujo, A. C.; Bini, D.; Gabrielli, L.; Russo, L.; Shaikh, N. «Discovery and design of carbohydrate-based therapeutics». Expert Opin. Drug Discov., núm. 5 (2010), p. 721-737. c) Fernández-Tejada, A.; Cañada, F. J.; Jiménez-Barbero, J. «Recent developments in synthetic carbohy-

Revista Quimica 15.indd 18

drate-based diagnostics, vaccines, and therapeutics». Chem.

Eur. J., núm. 21 (2015), p. 10616-10628.

[3] Faijes, M.; Planas, A. «Oligosacàrids funcionals per síntesi enzimàtica. Nous enzims per a noves aplicacions». TECA, núm. 8 (2005), p. 5-13.

[4] Gloster, T. M.; Vocadlo, D. J. «Developing inhibitors of glycan processing enzymes as tools for enabling glycobiology».

Nat. Chem. Biol., núm. 8 (2012), p. 683-694.

[5] a) Malet, C.; Planas, A. «From beta–glucanase to beta– glucansynthase: glycosyl transfer to alpha–glycosyl fluorides catalyzed by a mutant endoglucanase lacking its catalytic nucleophile». FEBS Lett., núm. 440 (1998), p. 208-212. b) Mackenzie, L. F.; Wang, Q.; Warren, R. A. J.; Withers, S. G. «Glycosynthases: mutant glycosidases for oligosaccharide synthesis». J. Am. Chem. Soc., núm. 120 (1998), p. 55835584.

[6] Tewari, Y. B.; Goldberg, R. N. «Thermodynamics of hydrolysis of disaccharides. Cellobiose, gentiobiose, isomaltose, and maltose». J. Biol. Chem., núm. 264 (1989), p. 3966-3971.

[7] Bissaro, B.; Monsan, P.; Fauré, R.; O’Donohue, M. J. «Glycosynthesis in a waterworld: new insight into the molec­ ular basis of transglycosylation in retaining glycoside hydrolases». Biochem. J., núm. 467 (2015), p. 17-35.

[8] Ardèvol, A.; Rovira, C. «Reaction mechanisms in carbohydrate-active enzymes: glycoside hydrolases and glycosyltransferases. Insights from ab initio quantum mechanics/molecular mechanics dynamic simulations». J. Am. Chem. Soc., núm. 137 (2015), p. 7528-7547.

[9] Bissaro, B.; Durand, J.; Biarnés, X.; Planas, A.; Monsan, P.; O’Donohue, M. J.; Fauré, R. «Molecular design of non-Leloir furanose-transferring enzymes from an α–l–arabinofuranosidase: a rationale for the engineering of evolved transglycosylases».

ACS Catal., núm. 5 (2015), p. 4598-4611.

[10] Raich, L.; Borodkin, V.; Fang, W.; Castro-López, J.; Aalten, D. M. van; Hurtado-Guerrero, R.; Rovira, C. «A trapped covalent intermediate of a glycoside hydrolase on the pathway to transglycosylation. Insights from experiments and QM/MM simulations». J. Am. Chem. Soc. (2016). DOI: 10.1021/jacs.5b10092.

[En premsa] [11] Hartland, R. P.; Fontaine, T.; Debeaupuis, J. P.; Simenel, C.; Delepierre, M.; Latge, J. P. «A novel beta–(1,3)–glucanosyltransferase from the cell wall of Aspergillus fumigatus». J. Biol.

Chem., núm. 271 (1996), p. 26843-26849.

[12] Hurtado-Guerrero, R.; Schuttelkopf, A. W.; Mouyna, I.; Ibrahim, A. F.; Shepherd, S.; Fontaine, T.; Latge, J. P.; Aalten, D. M. van. «Molecular mechanisms of yeast cell wall

14/12/2016 10:30:48

glucan remodeling». J. Biol. Chem., núm. 284 (2009), p. 8461-8469.

[13] Warshel, A.; Levitt, M. «Theoretical studies of enzymic reactions: dielectric, electrostatic and steric stabilization of the carbonium ion in the reaction of lysozyme». J. Mol. Biol., núm. 103 (1976), p. 227-249.

[14] «Nobel Prizes 2013: M. Karplus, M. Levitt, A. Warshel».

Angew. Chem. Int. Ed., núm. 52 (2013), p. 11972.

[15] Namchuk, M. N.; Withers, S. G. «Mechanism of agrobacterium beta–glucosidase: kinetic analysis of the role of noncovalent enzyme/substrate interactions». Biochemistry, núm. 34 (1995), p. 16194-16202.

[16] Quesne, M. G.; Borowski, T.; Visser, S. P. de. «Quantum mechanics/molecular mechanics modeling of enzymatic processes: caveats and breakthroughs». Chem. Eur. J., núm. 22 (2016), p. 2562-2581.

[17] Laio, A.; Parrinello, M. «Escaping free-energy minima».

Proc. Natl. Acad. Sci. USA, núm. 99 (2002), p. 12562-12566.

[18] a) Speciale, G.; Thompson, A. J.; Davies, G. J.; Williams, S. J. «Dissecting conformational contributions to glycosidase catalysis and inhibition». Curr. Opin. Struct. Biol., núm. 28C (2014), p. 1-13. b) Davies, G. J.; Planas, A.; Rovira, C. «Conformational analyses of the reaction coordinate of glycosidases».

Acc. Chem. Res., núm. 45 (2012), p. 308-316.

19

Revista Quimica 15.indd 19

14/12/2016 10:30:48

L. Raich

C. Rovira

Lluís Raich és llicenciat en química per la Universitat de Barcelona (UB) (2012), amb un màster en química teòrica i computacional per la Universitat Rovira i Virgili. Ha realitzat dues estades d’investigació a la Universitat d’Estrasburg (França). Actualment està realitzant la tesi doctoral sobre mecanismes catalítics d’enzims actius en carbohidrats (en particular, investiga com es pot convertir una glicosidasa en una transglicosidasa), sota la direcció de la doctora Rovira, a la UB. Carme Rovira és llicenciada i doctora en química per la Universitat de Barcelona (UB) (1995). Ha realitzat estades d’investigació a la Universitat Estatal de Carolina del Nord, a la Universitat del Sud d’Illinois (EUA) i al Max-Planck-Institut für Festkörperforschung (Alemanya). L’any 2003 va rebre la Distinció de la Generalitat de Catalunya per a la promoció de la recerca universitària en la categoria de joves investigadors. Des del 2007 és professora d’investigació ICREA. Actualment dirigeix el grup de Simulació Quàntica de Processos Biològics al Departament de Química Inorgànica i Orgànica de la UB.

20

Revista Quimica 15.indd 20

14/12/2016 10:30:48

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 15 (2016), p. 21-30 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 DOI: 10.2436/20.2003.01.71 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Nous mètodes de captura i separació de CO2 aplicables a processos industrials New methods for CO2 capture and separation applicable to industrial processes Gerard Alonso,1, 2 Hèctor Prats,1, 2 Daniel Bahamón,1, 2 Fatemeh Keshavarz,1, 2, 3 Pablo Gamallo,1, 2 Xavier Giménez1, 2 i Ramón Sayós1, 2 1 Universitat de Barcelona. Departament de Ciència de Materials i Química Física 2 Institut de Química Teòrica i Computacional de la Universitat de Barcelona (IQTCUB) 3 Universitat de Shˉırˉaz. Departament de Química (Iran)

Resum: La captura i la separació del CO2 són processos essencials en un món cada cop més industrialitzat i amb una finalitat molt clara: reduir l’emissió de CO2 a l’atmosfera i, així, minimitzar-ne l’efecte mediambiental. En aquest estudi ens centrarem en la faujasita i en el Cu–BTC, dos sòlids adsorbents d’elevada porositat. Mitjançant simulacions Monte Carlo Gran Canònic, obtindrem les isotermes d’adsorció del CO2 pur i en un corrent de postcombustió (15 % CO2 i 85 % N2). En ambdós corrents de gas, el Cu–BTC presenta una adsorció de CO2 més gran, mentre que, en el cas de la mescla de postcombustió, la faujasita amb una relació Si/Al d’1,18 presenta una selectivitat més gran envers el CO2.

Paraules clau: CO2, separació de gasos, faujasita, MOF, postcombustió.

Abstract: Carbon dioxide capture and separation are essential processes, with a clear purpose in an industrialized world: the reduction of CO2 atmospheric emissions to minimize environmental effects. In this article we focus on faujasite and Cu–BTC, which are highly porous adsorbent materials. By means of grand canonical Monte Carlo simulations we will obtain the adsorption isotherms of pure CO2 and a post-combustion mixture (15 % CO2 and 85 % N2 ) in both materials. In both gas flows Cu–BTC shows the largest loading of CO2, while in the post-combustion mixture the faujasite with a Si/Al ratio of 1.18 pres­ ents the higher selectivity towards CO2.

Keywords: CO2 , gas separation, faujasite, MOF, post-combustion.

Introducció

U

n dels problemes principals en la indústria actual és el control de les emissions de subproductes contaminants que es generen inevitablement durant els processos de producció. Entre aquests subproductes, el control de les emissions de CO2 és molt important per tal d’evitar problemes de caire mediambiental (i. e. l’efecte d’hivernacle o la pluja àcida), així com efectes nocius en la salut (figura 1). En l’última cimera de la Unió Europea, celebrada a París el desembre de 2015, es va declarar que les emissions estimades de gasos d’efecte d’hivernacle per als anys 2025-2030 arribaran a un nivell de 55 gigatones/any. L’acord FCCC/CP/2015/L.9 de París estableix una reducció en les emissions de CO2 fins a les 40 gigatones/any per tal que l’increment en la temperatura del planeta sigui inferior a 2 °C. Correspondència: Gerard Alonso Institut de Química Teòrica i Computacional de la Universitat de Barcelona (IQTCUB) C. de Martí i Franquès, 1. 08028 Barcelona Tel.: +34 639 348 055. Fax: +34 934 021 231 A/e: g.alonso@ub.edu

Revista Quimica 15.indd 21

Figura 1. Evolució temporal de les emissions de CO2 des del 1990 fins al 2012.

Actualment, el mètode a gran escala més utilitzat per evitar les emissions de CO2 i d’altres gasos àcids a l’atmosfera és l’absorció d’aquests en una solució d’amines [1-4]. Aquest procés es duu a terme mitjançant la reacció del CO2 amb les amines per donar bicarbonat: CO2 + R3N + H2O ⇌ HCO−3 + R3NH+

21

14/12/2016 10:30:49

Aquest procés, però, té alguns desavantatges, com ara uns elevats requeriments energètics per a la regeneració dels absorbents, la pèrdua d’absorbent per evaporació i la seva tendència a produir corrosió. Per fer-nos-en una idea, de tota l’energia que necessita una planta de producció d’aquest tipus per funcionar, aproximadament el 35 % es destina a evaporar tot el solvent utilitzat en la captura del CO2 [5]. Per tots aquests motius, hi ha un gran interès en els últims anys a trobar mètodes alternatius per a la separació eficient del CO2 d’un corrent de gas a gran escala. Així, destaquen els mètodes cíclics de fisisorció/desorció, com ara el PSA (pressure swing adsorption) i el TSA (temperature swing adsorption), que han despertat grans expectatives en els darrers anys. En aquests mètodes, una vegada produïda la fisisorció del CO2 o d’un altre compost, en el material adsorbent es disminueix la pressió (PSA) o s’incrementa la temperatura (TSA) per tal de regenerar-lo. Òbviament, s’ha d’arribar a un compromís entre les temperatures o pressions de fisisorció i les de regeneració per tal d’optimitzar el procés des d’un punt de vista econòmic. En aquest sentit, interessa modificar adequadament aquests materials adsorbents per tal d’augmentar-ne la selectivitat envers un component determinat, i també perquè la regeneració del material adsorbent sigui completa a temperatures o pressions al més properes possible a 298 K i 1 atmosfera.

Com a possibles materials adsorbents, es troben les zeolites i els MOF (metal-organic framework) [6], que presenten una sèrie d’avantatges respecte de l’absorció en amines. Així, en tractar-se d’estructures sòlides, són més fàcils de manipular que els líquids en l’àmbit industrial. A més, des del punt de vista econòmic, representen un estalvi tant en el procés de síntesi de l’adsorbent com en el procés de captura i regeneració. No obstant això, alguns MOF presenten problemes d’estabilitat que els fan poc adients per a la seva utilització a gran escala.

Zeolites i MOF: història, composició química i estructura

22

Les zeolites són materials microporosos que es poden trobar a la natura. El terme zeolita neix el 1756, quan el mineralogista Axel Fredrik Cronstedt va descobrir que, en escalfar el mineral actualment conegut com a estilbita, deixava anar una gran quantitat de vapor. El producte resultant, el va anomenar zeolita, que prové del grec, on ζεω (zeo) significa ‘bullir’ i λιθος

Revista Quimica 15.indd 22

(lithos) significa ‘pedra’ [7]. Des d’aquell descobriment, durant els dos-cents anys següents, les zeolites naturals es van trobar principalment en les cavitats de les roques basàltiques i volcàniques, i van ser la font per a l’extracció i l’estudi de les propietats d’aquests materials. Així, doncs, es van reportar les propietats principals de les zeolites com a bons materials adsorbents, bons dessecants, valuosos materials de bescanvi catiònic, filtres capaços de separar molècules a causa de la porositat d’escala molecular i, finalment, com a catalitzadors (i. e. utilitzats, per exemple, en el craqueig del petroli) [8]. Tot i així, no va ser fins al 1948 que Richard M. Barrer va reportar la primera síntesi definitiva de zeolites [9]. A partir d’aquest fet, i a causa del gran interès d’aquests materials, va començar la síntesi a gran escala de zeolites comercials, utilitzades avui dia en una infinitat de processos tant domèstics com industrials [10].

Les zeolites són aluminosilicats de fórmula molecular |M n+|x/n [(AlO2)−x · (SiO2)y ] · wH2O, on M pot ser qualsevol catió. Si s’observa la fórmula molecular, es veu clarament que cada unitat d’AlO2 present en la xarxa cristal·lina de la zeolita comporta una càrrega negativa, que s’ha de compensar amb un catió. Aquest catió, normalment, és de la família dels alcalins o alcalinoterris. Tot i així, gràcies a la capacitat de bescanvi catiònic, aquest catió es pot bescanviar per protons o per pràcticament qualsevol altre catió metàl·lic. Aquests aluminosilicats formen la seva xarxa cristal·lina a partir d’unitats connectades tetraèdricament formant una xarxa oberta, amb porositats entre 3 i 13 Å, depenent de la zeolita (figura 2).

Els tetraedres de la zeolita es poden organitzar de moltes maneres diferents, de manera que es dóna lloc a un gran ventall d’estructures amb la mateixa fórmula molecular.

A cadascuna de les estructures que comparteixen una sèrie de característiques de forma i simetria se les agrupa en determinades famílies, de les quals actualment se’n coneixen cent setanta-sis [11].

Per la seva banda, el terme MOF [12] va aparèixer per primera vegada en la bibliografia l’any 1995. Els MOF són materials cristal·lins amb estructures híbrides basades en enllaços entre cations metàl·lics (part inorgànica) i lligands orgànics donadors d’electrons, com ara els carboxilats o les amines [13].

L’assemblatge d’aquests dos components, típicament en dissolució, crea porus rígids que no col·lapsen una vegada es retira el solvent. La gran varietat de lligands orgànics disponibles permet generar estructures amb una mida de porus

14/12/2016 10:30:49

Figura 2. Estructures de zeolites totalment silicades (relació Si/Al = ∞) orientades per facilitar la visió dels canals porosos: a) LTA, Linde tipus A; b) FAU, tipus faujasita, i c) MFI tipus ZMS-5. L’organització espacial diferent dels àtoms de silici (esferes blaves) i oxigen (esferes vermelles) dóna lloc a estructures tridimensionals diferents amb porositats en l’interval 4-5 Å, 7-8 Å i 5-6 Å, respectivament.

diferent i amb una funcionalitat química determinada, per tal d’aconseguir les propietats desitjades. Entre els possibles candidats per ser utilitzats com a material adsorbent en la captura de CO2, es troben el Cu–BTC i el Mg–MOF–74 (figura 3) [14, 15]. En el primer, el lligand orgànic és el 1,3,5–benzentricarboxilat, i en el segon, el 2,5–dioxido–1,4–benzendicarboxilat. En el Cu–BTC, dos àtoms de coure octaèdrics es troben connectats a vuit àtoms d’oxigen de les unitats carboxilat. Això forma una estructura amb grans cavitats connectades per finestres quadrades de 9 Å de diàmetre. En el cas del Mg–MOF–74, els àtoms de magnesi es connecten a dos oxígens dels lligands orgànics i donen lloc a porus d’11 Å de diàmetre.

Enginyeria de zeolites Des que es coneix la forma de sintetitzar zeolites, s’han trobat maneres d’aconseguir que els tetraedres que en formen l’estructura s’organitzin a voluntat durant la síntesi. Així es pot arribar a obtenir zeolites amb una mida de porus desitjada que determinarà quines espècies poden difondre per l’interior de l’estructura i com ho faran. En el cas de l’adsorció de gasos, també permet controlar la superfície de contacte d’un corrent de gas amb el material.

Una segona propietat clau en l’enginyeria de zeolites, que no és present en el cas dels MOF, és el control de la relació Si/Al

Figura 3. Estructures de dos MOF orientades per facilitar la visió dels canals porosos: a) Cu–BTC i b) Mg–MOF–74. La part metàl·lica correspon a àtoms de coure (esferes liles) i a àtoms de magnesi (esferes taronges), respectivament. La resta dels àtoms forma part del grup orgànic corresponent, format per àtoms de carboni (esferes negres), oxigen (esferes vermelles) i hidrogen (esferes blanques).

Revista Quimica 15.indd 23

23

14/12/2016 10:30:51

que conté el material. A grans trets, una estructura amb una alta relació Si/Al (i. e. formada principalment de tetraedres de sílice) té una alta resistència tèrmica, mecànica i és resistent a la corrosió, però té poca afinitat per a substàncies que presentin polaritat. El cas límit és una estructura totalment silicada com les de la figura 2 (i. e. relació Si/Al = ∞). D’altra banda, si la relació Si/Al és baixa, té menys resistència tèrmica, mecànica i química, però l’afinitat davant espècies carregades s’incrementa a causa de la presència dels cations introduïts en l’estructura. Aquesta relació Si/Al es pot controlar durant la síntesi de la zeolita i fa possible obtenir el material més adient per a cada aplicació.

En aquest punt és on es demostra la potència del modelatge computacional, que permet crear un ventall de zeolites o MOF amb diferents estructures, així com una relació Si/Al diferent, en el cas de les primeres. Un cop generades, es poden avaluar les capacitats d’aquestes estructures envers l’adsorció d’una espècie determinada mitjançant simulacions computacionals. És evident que amb aquesta estratègia es poden reduir els costos experimentals, ja que permet centrar la síntesi en aquelles estructures que presentin una selectivitat o una capacitat d’adsorció més elevada en l’àmbit teòric.

Models i mètode de simulació computacional Les estructures de la faujasita [16] i del Cu–BTC [17] han estat obtingudes de dades cristal·logràfiques. Les estructures van ser ortogonalitzades per tal de facilitar les simulacions computa-

24

Revista Quimica 15.indd 24

cionals i les anàlisis posteriors. Totes les estructures han estat tractades com a rígides, és a dir, els àtoms fixats a les seves posicions cristal·logràfiques. Atès que els processos de fisisorció són deguts a forces tipus Van der Waals, per definir els potencials d’interacció s’han fet servir paràmetres Lennard-Jones i càrregues disponibles a la bibliografia i validades degudament tant per als materials adsorbents com per als adsorbats considerats (i. e. referència [18], per a la faujasita; referències [19, 20], per al Cu–BTC, i referència [21], per al CO2 i el N2 moleculars). Pel que fa a les molècules de CO2, han estat modelades com a lineals i amb una càrrega parcial de −0,35e sobre els àtoms d’oxigen i de +0,70e sobre els àtoms de carboni. En el cas de les molècules de N2, s’ha utilitzat un model de tres centres amb càrregues −0,482e i +0,964e sobre els àtoms de nitrogen i sobre el centre de masses, respectivament.

Abans de realitzar les simulacions computacionals, és molt important definir un model i que aquest es comporti de la manera més real possible. Així, per construir les estructures de faujasita, es generen a l’atzar relacions Si/Al diferents, que assegurin el compliment de les regles de Löwenstein [22]. Finalment, s’ha d’introduir el mateix nombre de cations monovalents (i. e. Na+) que d’aluminis introduïts. D’altra banda, estudis DFT (teoria del funcional de la densitat) de la difusió de gasos des de la cavitat central a les sodalites han demostrat que, per a qualsevol relació Si/Al, la barrera energètica per accedir a aquestes zones és molt elevada (e. g. 1,8 eV per al CO2 en silicalita [23]), de manera que és una regió inaccessible per a les espècies que formen el corrent de gasos (figura 4).

Segons això, definirem un nombre d’estructures de faujasita determinat amb diferents relacions Si/Al obtingudes a l’atzar a

Figura 4. Estructura principal de la faujasita, on es veu en vermell una subestructura coneguda com a caixa de sodalita i en blau, una cavitat central que dóna lloc a l’alta porositat del material.

14/12/2016 10:30:51

partir de l’estructura totalment silicada i hi afegirem el mateix nombre de Na+ que d’aluminis. Finalment, introduirem àtoms virtuals (dummies) en el centre de les caixes de sodalita per tal d’evitar que molècules de gas accedeixin a aquestes zones.

S’han dut a terme simulacions de tipus Monte Carlo Gran Canònic (MCGC) fent servir el paquet LAMMPS [24] i aplicant condicions periòdiques de contorn. L’equació de Peng-Robinson s’ha fet servir per relacionar la pressió amb el potencial químic. A cada potencial químic, s’ha realitzat una etapa prèvia d’equilibratge de 107 passes i una posterior de producció amb el mateix nombre de passes. S’ha aplicat un radi de tall de 12 Å a les interaccions Lennard-Jones i les interaccions electrostàtiques de llarg abast s’han calculat mitjançant el mètode d’Ewald.

Les isotermes calculades s’han obtingut per als gasos purs i per a una mescla binària de postcombustió formada per un 15 % de CO2 i un 85 % de N2 a 298 K. Els percentatges d’espècies en una mescla de postcombustió inclourien un 5 % de O2, però com que la interacció del nitrogen i l’oxigen en aquests materials és molt semblant, s’acostuma a considerar aquest 5 % com a N2.

Resultats Tal com hem avançat anteriorment, una de les famílies de zeolites capaç de separar selectivament el CO2 d’un corrent de gasos és la família de les faujasites (FAU) [25, 26]. Tot i així,

les diferents relacions Si/Al fan que existeixi un gran ventall d’estructures possibles. Òbviament, el procés experimental de síntesi i caracterització de la quantitat de CO2 adsorbida per un corrent de gasos no és una tasca fàcil i, en aquest sentit, és on les simulacions computacionals són de gran ajuda.

Un cop definit un bon model i per tal de simular el comportament d’un gas en equilibri amb les diferents estructures de la faujasita, així com per al Cu–BTC, es va procedir a un estudi complet fent servir el mètode Monte Carlo Gran Canònic.

Aquest mètode permet fer una simulació on s’intercanvien a l’atzar els àtoms o les molècules d’un reservori imaginari de gas ideal a temperatura, volum i potencial químic constants.

Si la nostra simulació conté un material adsorbent (i. e. la faujasita), l’estat final de la simulació mostra el gas adsorbit que està en equilibri amb el reservori de gas ideal. D’aquesta manera, utilitzant reservoris amb diferents mescles de gasos a 298 K i a diferents pressions, es poden obtenir propietats com ara isotermes d’adsorció i selectivitats. Amb aquest procés es pot valorar la capacitat d’adsorció de cada estructura, la qual cosa permet determinar les millors estructures de faujasita per a la separació de CO2. Òbviament, per fer aquest tipus de simulacions, i com és habitual, primerament es validen els camps de forces amb dades experimentals referents a l’adsorció dels components purs. En aquest sentit, la figura 5 mostra les isotermes d’adsorció a 298 K per al CO2 i el N2 sobre dos tipus de faujasites (totalment silicada i amb una relació Si/Al d’1,18) i el Cu–BTC. En tots els casos, els resultats mostren una bona correlació amb les dades experimentals [27-30].

L’adsorció de CO2 pur a pressions elevades per part d’aquest

Figura 5. Isotermes d’adsorció de CO2 i N2 a 298 K sobre: a) faujasita totalment silicada; b) faujasita amb una relació Si/Al = 1,18, i c) Cu–BTC. Les dades obtingudes a partir de les simulacions Monte Carlo Gran Canònic corresponen al CO2 (vermell) i al N2 (verd), mentre que les dades experimentals es representen en color negre.

Revista Quimica 15.indd 25

25

14/12/2016 10:30:52

MOF és superior a l’observada en zeolites. Aquesta alta capacitat és atribuïda a les interaccions entre el CO2 i els centres metàl·lics de l’estructura [31].

A continuació, hem dut a terme un estudi similar per a una mescla típica d’un procés de postcombustió 15 % CO2 i 85 % N2.

Per tal d’obtenir la relació òptima Si/Al en la faujasita, hem utilitzat una sèrie d’estructures amb relacions des de ∞ fins a 1 i hem analitzat les isotermes d’adsorció dels tres gasos de la mescla en cadascuna d’aquestes estructures. De forma equivalent als càlculs DFT, en estudiar les isotermes d’adsorció dels gasos purs, hem observat que el fet d’incrementar el nombre de parelles Na+/Al augmenta l’adsorció tant de CO2 com de N2 en tot el rang de pressions treballat. Tot i així, l’adsorció de CO2 es veu incrementada en un rang més gran que la resta dels gasos en reduir la relació Si/Al, conseqüència directa de la preferència dels cations Na+ pel CO2 en relació amb les altres espècies de la mescla. Un comportament equivalent s’observa en estudiar la mescla de postcombustió (figura 6), on l’adsorció de CO2 queda clarament afavorida per la presència de parelles Na+/Al, que implica un desplaçament del N2 de l’estructura. Aquests resultats demostren que l’ús d’estructures amb relacions Si/Al menors afavoreix enormement l’adsorció selectiva de CO2, però, en relacions properes a 1, s’observa

26

Revista Quimica 15.indd 26

que el material pràcticament se satura a temperatura ambient i pressió atmosfèrica. Això implica que, per tal de regenerar el material per a la seva reutilització (i. e. desorbir el CO2 de la faujasita), s’ha de reduir la pressió i la temperatura de forma important, la qual cosa incrementarà el cost de la separació.

Així, doncs, l’estructura òptima neix d’un compromís entre la màxima capacitat d’adsorció possible sota unes condicions de regenerabilitat econòmicament viables [21]. En el cas del MOF Cu–BTC, l’adsorció de CO2 és inferior a la de la faujasita Si/Al = 1,18 a baixes pressions i superior a altes. Això implica que, en estat de saturació, el Cu–BTC pot adsorbir molta més quantitat de CO2 que les faujasites. Tot i així, l’adsorció de N2 en Cu–BTC no és negligible, i això implica una reducció en la selectivitat del material envers el CO2 quan es compara amb la faujasita, on l’adsorció de N2 és gairebé nul·la [31].

Conclusions Les tècniques sintètiques desenvolupades des de mitjan segle xx permeten un control gairebé absolut de l’estructura i de la composició química de les zeolites. Això fa possible una optimització molt acurada de les propietats de les zeolites, on el camp de la modelització computacional té un gran poder.

Figura 6. Isoterma d’adsorció a 298 K d’una mescla de gasos de postcombustió que conté 85 % de N2 i 15 % de CO2 sobre faujasites amb una relació Si/Al = 1,18 i ∞ i també sobre Cu–BTC. Es veu clarament que la presència de parelles Na+/Al incrementa tant l’adsorció de CO2 absoluta com l’adsorció relativa als altres gasos.

Per al cas de la faujasita, l’adsorció en l’estructura totalment silicada correspon a les línies contínues i la de l’estructura amb una relació Si/Al = 1,18, a les línies puntejades. En el cas del MOF, les línies a seguir són les contínues que tenen punts triangulars. En tots els casos, les línies vermelles corresponen a l’adsorció de CO2 i les verdes, a l’adsorció de N2.

14/12/2016 10:30:53

Entre totes les aplicacions possibles de les zeolites, el treball s’ha centrat en l’estudi de l’adsorció selectiva de CO2 en diverses faujasites i en el MOF Cu–BTC. S’ha observat que la presència de cations metàl·lics en l’estructura de la faujasita modifica l’adsorció de gasos, la qual cosa incrementa selectivament l’afinitat del CO2, fins al punt en el qual l’adsorció de diòxid de carboni és prou forta per no permetre un procés de desorció econòmicament viable. D’altra banda, el MOF Cu–BTC té una gran capacitat d’adsorció de CO2, sobretot a altes pressions, però no és tan selectiu com la faujasita.

Segons els resultats obtinguts, l’ús de la faujasita com a adsorbent econòmic i quantitativament selectiu de CO2 envers N2 sembla viable. Tot i així, abans d’implementar aquesta tecnologia en corrents de postcombustió, és important analitzar quina influència poden tenir les impureses d’altres gasos (i. e.

SOx, NOx o H2O) en la mescla de postcombustió.

Agraïments Volem agrair el suport econòmic del Ministeri d’Economia i Competitivitat d’Espanya (projecte CTQ2014-53987-R) i de la Generalitat de Catalunya (projecte 2014SGR1582).

Referències [1] Schach, M. O.; Schneider, R.; Schramm, H.; Repke, J. U. «Techno-economic analysis of postcombustion processes». Ind. Eng. Chem. Res., núm. 49 (2010), p. 2363-2370.

[2] Hartono, A.; Silva, E. F. da; Svendsen, H. «Kinetics of carbon dioxide absorption in aqueous solution of diethylenetriamine (DETA)». Chem. Eng. Sci., núm. 64 (2009), p. 3205-3213.

[3] Al-Juaied, M.; Rochelle, G. T. «Absorption of CO2 in aqueous diglycolamine». Ind. Eng. Chem. Res., núm. 45 (2006), p. 24732482.

[4] Silva, E. F. da; Kuznetsova, T.; Kvamme, B.; Merz, K. M. «Molecular dynamics study of ethanolamine as a pure liquid and in aqueous solution». J. Phys. Chem. B, núm. 111 (2007), p. 36953703.

[5] Belaissaoui, B.; Willsol, D.; Favre, E. «Post-combustion carbon dioxide capture using membrane processes: a sensitivity analysis». Procedia Eng., núm. 44 (2012), p. 1191-1195.

[6] Krishna, R.; Baten, J. M. van. «A comparison of the CO2 capture characteristics of zeolites and metal-organic frame-

Revista Quimica 15.indd 27

works». Sep. Purif. Technol., núm. 87 (2012), p. 120-126.

[7] Cubillos, J. A. Heterogeneous assimetric epoxidation of cis-ethyl cinnamate over Jacobsen’s catalyst immobilized in inorgànic porous materials. Tesi doctoral. Aquisgrà: Universitat Tècnica d’Aquisgrà, 2005.

[8] Kulprathipanja, S. Zeolites in industrial separation and catalysis. 1a ed. Weinheim: Wiley-VCH, 2010.

[9] Barrer, R. M. «Synthesis and reactions of mordenite».

J. Chem. Soc., s. núm. (1948), p. 2158-2163.

[10] Wong, T. W. Handbook of zeolites: Structure, properties and applications. 1a ed. Nova York: Nova Science Publishers, 2009.

[11] Baerlocher, C.; McCusker, L. B.; Olson, D. H. Atlas of zeolite framework types. 6a ed. Amsterdam: Elsevier, 2007.

[12] Yaghi, O. M.; Li, H. L. «Hydrothermal synthesis of a metal-organic framework containing large rectangular channels». J. Am. Chem. Soc., núm. 117 (1995), p. 1040110402.

[13] Meek, S. T.; Greathouse, J. A.; Allendorf, M. D. «Metalorganic frameworks: a rapidly growing class of versatile nanoporous materials». Adv. Mater., núm. 23 (2011), p. 249267.

[14] Sumida, K.; Rogow, D. L.; Mason, J. A.; McDonald, T. M.; Bloch, E. D.; Herm, Z. R.; Bae, T.-H.; Long, J. R. «Carbon dioxide capture in metal-organic frameworks». Chem. Rev., núm. 112 (2012), p. 724-781.

[15] Li, J.-R.; Ma, Y.; McCarthy, M. C.; Sculley, J.; Yu, J.; Jeaong, H.-K.; Balbuena, P. B.; Zhou, H.-C. «Carbon dioxide capture-related gas adsorption and separation in metal-organic frameworks». Coord. Chem. Rev., núm. 255 (2011), p. 1791-1823.

[16] Wang, Q.; Shen, D.; Bülow, M.; Lau, M. L.; Deng, S.; Fitch, F. R.; Lemcoff, N. O.; Semanscin, J. «Metallo-organic molecular sieve for gas separation and purification». Micro. Meso. Mater., núm. 55 (2002), p. 217-230.

[17] Chui, S. S. Y.; Lo, S. M. F.; Charmant, J. P. H.; Orpen, A. G.; Williams, I. D. «A chemically functionalizable nanoporous material [Cu3(TMA)2(H2O)3]n». Science, núm. 283 (1999), p. 11481150.

[18] Martín-Calvo, A.; Gutiérrez-Sevillano, J. J.; Parra, J. B.; Ania, C. O.; Calero, S. «Transferable force fields for adsorption of small gases in zeolites». Phys. Chem. Chem. Phys., núm. 17 (2015), p. 24048-24055.

[19] Mayo, S. L.; Olafson, B. D.; Goddard III, W. A. «DREIDING: a generic force field for molecular simulations». J. Phys. Chem., núm. 94 (1990), p. 8897-8909.

27

14/12/2016 10:30:54

[20] Castillo, J. M.; Vlugt, T. H. J.; Calero, S. «Understanding water adsorption in Cu–BTC metal-organic frameworks».

J. Phys. Chem. C. Lett., núm. 112 (2008), p. 15934-15939.

[21] Prats, H.; Bahamón, D.; Alonso, G.; Giménez, X.; Sayós, R.; Gamallo, P. «Influence of faujasite Si/Al-ratio on the post-combustion CO2 capture by adsorption». Energy Environ.

Sci. [Enviat per publicar] [22] Löwenstein, W. «The distribution of aluminum in the tetrahedra of silicates and aluminates». Am. Miner., núm. 39 (1954), p. 92-96.

[23] Alonso, G. Theoretical study of the adsorption of N2 , O2 and CO2 in different faujasite structures. Treball de final de màster. Barcelona: Universitat de Barcelona, 2015.

[24] Plimpton, S. «Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics». J. Comp. Phys., núm. 117 (1995), p. 1-19.

[25] Pillai, R. S.; Peter, S. A.; Jasra, R. V. «CO2 and N2 adsorption in alkali metal ion exchanged X-faujasite: Grand Canonical Monte Carlo simulation and equilibrium adsorption studies».

Micropor. Mesopor. Mater., núm. 162 (2012), p. 143-151.

[26] Maurin, G.; Llewellyn, P. L.; Bell, R. G. «Adsorption mechanism of carbon dioxide in faujasites: Grand Canonical Monte

Carlo simulations and microcalorimetry measurements».

J. Phys. Chem. B., núm. 109 (2005), p. 16084-16091.

[27] Maurin, G.; Bell, R.; Kuchta, B.; Poyet, T.; Llewellyn, P. «Adsorption of non polar and quadrupolar gases in siliceous faujasite: molecular simulations and experiments». Adsorption, núm. 11 (2005), p. 331-336.

[28] Dunne, J. A.; Rao, M.; Sircar, S.; Gorte, R. J.; Myers, A. L. «Calorimetric heads of adsorption and adsorption isotherms.

2. O2, N2, Ar, CO2, CH4, C2H6 and SF6 on NaX, H-ZSM-5, and Na-ZSM-5 zeolites». Langmuir, núm. 12 (1996), p. 58965904.

[29] Liang, Z.; Marshall, M.; Chaffe, A. L. «CO2 adsorption-based separation by metal organic framework (Cu–BTC) versus zeolite (13X)». Energy Fuels, núm. 23 (2009), p. 2785-2789.

[30] García-Pérez, E.; Gascón, J.; Morales-Flórez, V.; Castillo, J. M.; Kapteijn, F.; Calero, S. «Identification of adsorption sites in Cu–BTC by experimentation and molecular simulation». Langmuir, núm. 23 (2009), p. 1725-1731.

[31] Bahamón, D.; Díaz-Márquez, A.; Gamallo, P.; Vega, L. F. «Effect of water and coexisting impurities on the adsorption of CO2 in Cu–BTC and zeolite 13X». AIChe. [Enviat per publicar]

28

Revista Quimica 15.indd 28

14/12/2016 10:30:54

G. Alonso

P. Gamallo

H. Prats

D. Bahamón

F. Keshavarz

X. Giménez

R. Sayós

Gerard Alonso va néixer el 1991 a Vilafranca del Penedès i el 2013 es va graduar en química per la Universitat de Barcelona (UB). Va realitzar el màster interuniversitari europeu de dos anys en química teòrica i modelització computacional. En acabar, va fer una estada de quatre mesos a l’empresa MATGAS, on va entrar en contacte amb el món de les zeolites i la separació de gasos. Actualment es troba cursant els estudis de doctorat a la UB amb una beca APIF, sota la direcció dels professors Ramón Sayós i Pablo Gamallo. Una de les línies de recerca principals del grup és l’estudi de la captura i la separació de gasos contaminants en processos industrials.

Hèctor Prats va néixer el 1992 a Barcelona i el 2013 es va graduar en química per la Universitat de Barcelona (UB). Va realitzar el màster interuniversitari europeu de dos anys en química teòrica i modelització computacional. Actualment es troba cursant els estudis de doctorat a la UB amb una beca FI, sota la direcció dels professors Ramón Sayós i Francesc Illas. Una de les línies de recerca principals del grup és l’estudi de la captura i la separació de gasos contaminants en processos industrials.

Daniel Bahamón va néixer el 1987 a Medellín, Colòmbia. Allà va realitzar el grau de llicenciatura (2010) i el màster (2012) en enginyeria química de la Universitat Pontifícia Bolivariana. Després de diversos anys d’experiència en la indústria, es va unir al grup de la doctora Lourdes F. Vega al Centre d’Investigació MATGAS, a Barcelona, i va realitzar el doctorat a la Universitat Autònoma de Barcelona el 2015. Actualment està treballant amb els professors Pablo Gamallo i Ramon Sayós, de l’Institut de Química Teòrica i Computacional de la UB (IQTCUB), com a postdoc. La seva investigació actual se centra en el disseny i l’avaluació de nous materials porosos (com ara zeolites i MOF), mitjançant simulacions moleculars, i les seves aplicacions en processos de separació i adsorció de gasos.

Fatemeh Keshavarz va néixer el 1988 a Shˉırˉaz, Iran. Va cursar el grau en química aplicada a la Universitat de Tecnologia d’Isfahan (2011). En acabar un màster de dos anys en química física (2013), va continuar els estudis com a doctoranda en química física a la Universitat de Shıˉraˉz. Els seus estudis se centren en les simulacions moleculars de sistemes d’interès en els sectors atmosfèrics i industrials. Actualment continua la recerca en simulació d’adsorció de gasos contaminants en processos industrials a la Universitat de Barcelona en una estada predoctoral.

29

Revista Quimica 15.indd 29

14/12/2016 10:30:55

Pablo Gamallo va néixer el 1976 a Barcelona i actualment és professor agregat del Departament de Ciència de Materials i Química Física de la Universitat de Barcelona. Va realitzar un màster l’any 2000 en dinàmica de reaccions en fase gas i el doctorat l’any 2007, centrat en l’estudi de reaccions d’interès atmosfèric i tecnològic en fase gas i gas superfície. Actualment treballa en simulacions computacionals de reaccions químiques fent servir les lleis de la mecànica quàntica i de processos d’adsorció física mitjançant tècniques de dinàmica clàssica. Ha realitzat estades a l’Institut de Ciències Moleculars de la Universitat de Bordeus (França), al Departament de Química Teòrica de la Universitat de Siena (Itàlia), al Departament de Química Industrial de la Universitat de Pisa (Itàlia), a l’Institut de Metodologia Inorgànica i de Plasmes de la Universitat de Bari (Itàlia) i al Donostia International Physics Center (Sant Sebastià).

Xavier Giménez va néixer el 1963 a Barcelona i actualment és professor titular del Departament de Ciència de Materials i Química Física de la Universitat de Barcelona. Treballa en modelització computacional de reaccions químiques i sistemes moleculars complexos, amb l’èmfasi en els mètodes mecanoquàntics, els sistemes gas-superfície i els processos de descontaminació. Ha realitzat estades a Perusa (Itàlia), París (França) i Berkeley (Califòrnia, EUA). Treballa també en innovació docent i en divulgació científica, incloent-hi difusió en mitjans de comunicació. És autor del llibre L’aire que respirem.

Ramón Sayós va néixer el 1959 a Barcelona i actualment és catedràtic del Departament de Ciència de Materials i Química Física de la Universitat de Barcelona. És coordinador local del màster europeu en química teòrica i modelització computacional. És membre de la Divisió de Química Computacional de la EuCheMS i forma part de la junta de la Societat Catalana de Química. Ha realitzat estudis fonamentals en reaccions en fase gas i gas superfície i, actualment, treballa en l’aplicació de la dinàmica molecular a sistemes d’interès industrial.

30

Revista Quimica 15.indd 30

14/12/2016 10:30:55

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 15 (2016), p. 31-41 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 DOI: 10.2436/20.2003.01.72 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Fotocatàlisi amb nanopartícules d’or basada en efectes plasmònics Plasmon-based photocatalysis using gold nanoparticles Marc Padilla, José Luis Bourdelande i Jordi Hernando Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Química

Resum: Les nanopartícules de metalls nobles com l’or presenten propietats òptiques singulars, que són degudes a l’excitació de la seva ressonància plasmònica de superfície. Aquest fenomen pot tenir diverses aplicacions, com ara en fotocatàlisi. En aquest article es fa una revisió dels últims avenços en aquest camp, s’hi descriuen els aspectes principals implicats en l’ús de les nanopartícules d’or com a fotocatalitzadors i s’introdueix una nova estratègia desenvolupada en el nostre grup per millorar-ne l’eficiència.

Paraules clau: Nanopartícules d’or, fotocatàlisi, plasmònica.

Abstract: Noble metal nanoparticles such as gold nanoparticles display very intriguing optical properties that arise from the excitation of their surface plasmon resonance. A number of applications have been proposed for this phenomenon, e. g. in photocatalysis. This article reviews the state of the art in this field, placing special emphasis on describing the main aspects involved in the use of gold nanoparticles as photocatalysts and on introducing a new strategy developed in our group to enhance their activity.

Keywords: Gold nanoparticles, photocatalysis, plasmonics.

Introducció

U

n dels motors principals de la recerca científica durant les darreres dècades ha estat el desenvolupament de nanoestructures i nanomaterials funcionals [1]. Dos dels motius fonamentals que justifiquen l’interès per aquest tipus de sistemes són [2]: a) l’elevada relació àrea-volum, que és molt superior a la dels materials massius i que, per tant, es pot aprofitar en aplicacions en què els efectes de superfície desenvolupen un paper rellevant (per exemple, en catàlisi heterogènia); b) els efectes del confinament quàntic, que fan que determinades nanoestructures presentin propietats que, d’una banda, varien críticament amb la seva mida i, de l’altra, són marcadament diferents tant de les seves unitats constituents com de les dels corresponents materials macroscòpics.

Aquests dos factors són particularment rellevants en el cas de les nanopartícules (NP), un tipus de nanomaterial que es caracteritza per presentar mides nanomètriques en totes les dimensions [1]. Entre elles, es troben les nanopartícules d’or (AuNP), tema sobre el qual tracta aquest article.

Correspondència: Marc Padilla Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Química Edifici C/n. Campus de la UAB, Bellaterra. 08193 Cerdanyola del Vallès Tel.: +34 935 814 054. Fax: +34 935 812 477 A/e: marc.padilla@uab.cat

Revista Quimica 15.indd 31

Les nanopartícules d’or i els efectes plasmònics Les AuNP són agrupaments d’àtoms d’or en estat elemental amb un diàmetre entre 1 i 100 nm. A causa de la combinació de propietats que presenten, aquests nanomaterials es troben entre les NP metàl·liques més àmpliament estudiades [3]. Primerament, mostren una estabilitat química elevada, en contrast amb altres NP metàl·liques com les de coure o plata, que són fàcilment oxidables. A més, les AuNP són biocompatibles [4, 5] i es poden funcionalitzar de manera senzilla amb lligands orgànics [6]. D’altra banda, les AuNP són catalitzadors eficients de diferents reaccions químiques [7]. Finalment, i de la mateixa manera que altres NP de metalls nobles, les AuNP presenten unes propietats òptiques especials, que difereixen de les dels àtoms d’or i de l’or macroscòpic a conseqüència dels efectes del confinament quàntic.

Les propietats òptiques de les nanopartícules d’or: efectes plasmònics Una característica singular de les AuNP és l’intens color que presenten les seves suspensions col·loïdals (figura 1a). Aquest color és un reflex de les seves propietats òptiques a nanoescala, tal com es descriu a continuació.

Quan una AuNP és irradiada amb llum, l’oscil·lació del camp elèctric incident crea una oscil·lació coherent dels electrons

31

14/12/2016 10:30:55

cas de AuNP esfèriques de ~20 nm, és a dir, la ressonància plasmònica d’aquestes nanopartícules es pot excitar utilitzant llum verda de l’espectre visible.

Les nanopartícules d’or com a fotocatalitzadors S’han proposat nombroses aplicacions de les AuNP sobre la base del seu comportament plasmònic, com ara l’ús en medicina com a agents terapèutics [6], en sensors [4, 10] i en fotovoltaica [11]. Un altre dels camps en què s’està explorant l’aplicació de les seves propietats òptiques és el de la fotocatàlisi [12-17]. De fet, la fotocatàlisi amb AuNP ja ha estat investigada per a un ventall molt ampli de processos químics, que inclou diverses reaccions de reducció [18-20], oxidació [21-23], dissociació [24-26] i síntesi orgànica [27-29].

Figura 1. a) Fotografia i espectre d’extinció d’una suspensió col·loïdal en aigua de AuNP esfèriques de ~20 nm de diàmetre. b) Il·lustració esquemàtica de l’oscil·lació del núvol electrònic a la superfície de AuNP sota irradiació amb llum, que condueix a l’excitació del seu plasmó superficial. Reproduït de [8] amb el permís de la Royal Society of Chemistry.

de la banda de conducció a la superfície de la nanopartícula (figura 1b, [8]). Aquest fenomen és degut al fet que: a) la NP és molt més petita que la longitud d’ona de la radiació incident quan s’utilitza llum UV, visible o IR; b) els àtoms metàl· lics de la NP són fàcilment polaritzables. Quan la freqüència de la radiació incident és ressonant amb el dipol induït per l’oscil·lació del núvol electrònic de la NP, aquesta oscil·lació s’amplifica considerablement i es produeix l’excitació de la ressonància plasmònica de superfície localitzada (LSPR) o plasmó de la nanopartícula. Com a conseqüència d’aquesta excitació, la llum de determinades longituds d’ona és selectivament dispersada i absorbida per les NP, la qual cosa implica que presentin un color definit, tal com s’evidencia a simple vista o mesurant-ne l’espectre d’extinció. Cal tenir en compte que els espectres d’extinció es mesuren amb espectròmetres d’UV-visible i resulten de la combinació dels senyals d’absorbància i de dispersió per a una suspensió col·loïdal de NP (figura 1a).

32

El rang espectral on es produeixen l’excitació de la LSPR i la dispersió de llum ve determinat per quatre factors: la composició, la mida i la forma de la NP i la constant dielèctrica del medi que l’envolta [9]. Tal com s’observa a la figura 1a, aquests fenòmens es produeixen al voltant dels 530 nm per al

Revista Quimica 15.indd 32

Més enllà de les seves propietats òptiques i de les condicions d’irradiació, en aplicar les AuNP a la fotocatàlisi de reaccions químiques cal tenir en compte altres factors addicionals que determinaran l’eficiència final del procés. Tal com es discuteix a continuació, entre els més rellevants d’aquests factors es troben: a) el mecanisme específic d’acció de les nanopartícules; b) l’ús combinat amb altres (foto)catalitzadors, i c) l’estratègia emprada per garantir la interacció entre les AuNP i les molècules de reactius.

Mecanismes d’acció Tal com es representa a la figura 2, hi ha tres mecanismes diferents mitjançant els quals les AuNP poden exercir l’activitat fotocatalítica: a) l’amplificació del camp electromagnètic incident; b) la injecció de càrregues (electrons o forats), i c) l’alliberament de calor per mitjà de l’anomenat efecte fototèrmic [12-17]. Tots aquests mecanismes (i algunes de les seves combinacions) ja han estat explotats en la fotocatàlisi amb AuNP, de manera que s’ha evidenciat la versatilitat d’aquestes nanoestructures per induir una gran varietat de processos químics.

El primer d’aquests mecanismes, l’amplificació del camp electromagnètic incident, es basa en la capacitat del plasmó de les AuNP de dispersar la llum de determinades freqüències amb una gran eficiència [15]. Com si la NP es tractés d’una

14/12/2016 10:30:57

Figura 2. L’excitació plasmònica pot comportar un ventall d’efectes sobre les molècules que estiguin adsorbides, enllaçades o properes a la AuNP. En presència del receptor apropiat, es poden donar efectes d’amplificació del camp (A). Sota excitació plasmònica, la AuNP pot actuar com a donador (E) o acceptor d’electrons (H). La relaxació plasmònica també pot comportar l’alliberament de calor per part de la NP (T).

Adaptat de [32] amb permís. Copyright 2011 American Chemical Society.

antena, la intensitat d’aquesta radiació dispersada és amplificada fins a diversos ordres de magnitud. Aquest procés, però, només afecta la seva component de camp proper, que correspon a les ones evanescents que són generades a la superfície de les nanopartícules i la intensitat de les quals decau exponencialment amb la distància. Per tant, això implica que l’amplificació del camp de la radiació incident només es dóna a distàncies molt curtes de la NP, de l’ordre únicament de desenes de nanòmetres.

Aquest mecanisme es pot aplicar per induir reaccions fotoquímiques on la transició òptica que inicia el procés sigui de molt baixa probabilitat i que, per tant, requereixi l’ús de fonts d’irradiació d’elevada intensitat per produir-se. En canvi, si les

molècules fotoactives es troben prop de AuNP, aquesta transició es veurà afavorida per l’amplificació del camp electromagnètic incident que s’hi produeix fins i tot en condicions de baixa intensitat d’irradiació. Un exemple d’aplicació d’aquest fenomen ha estat descrit per Misawa i els seus col·laboradors per tal d’induir un procés de fotopolimerització d’una reïna epoxi per absorbància a dos fotons (TPA), un procés fotofísic que es caracteritza per presentar una probabilitat molt baixa [30]. Amb aquest objectiu, es va dipositar la reïna i el corresponent fotoiniciador sobre una superfície recoberta amb nanoestructures d’or separades a distàncies de pocs nanòmetres entre si, a les interseccions entre les quals es produeixen efectes molts importants d’amplificació del camp incident (figura 3a). Això permet que, tot i irradiar amb llum no coherent de

Figura 3. a) Esquerra: esquema del fotocatalitzador utilitzat, que consisteix en un patró de nanoestructures d’or de secció quadrada (aresta ~100 nm) dipositades sobre un substrat de vidre. Dreta: imatge de microscòpia electrònica d’escombratge (SEM) d’un parell de nanoestructures d’or separades per un espai de 5,6 nm abans d’irradiar. b) Imatges de SEM del fotocatalitzador després de 3 h d’exposició a la radiació (l = 600-1 000 nm). Les regions on s’ha produït la polimerització s’emfatitzen amb cercles discontinus. Adaptat de [30] amb permís. Copyright 2008 American Chemical Society.

Revista Quimica 15.indd 33

33

14/12/2016 10:30:58

baixa intensitat de l = 600-1 000 nm, molècules de fotoiniciador properes a aquestes interseccions experimentin el procés de TPA i indueixin la polimerització a l’espai entre NP (figura 3b). Cal aclarir que, tot i que les AuNP esfèriques absorbeixen i dispersen llum visible, el seu espectre d’extinció pot desplaçar-se cap a la regió de l’infraroig i modificar-ne la morfologia, com en aquest cas.

El segon dels mecanismes fotocatalítics de les AuNP implica la injecció d’un electró (o d’un forat) d’alta energia generat durant l’excitació del plasmó a una altra espècie, de manera que en produeix la reducció (o l’oxidació). Evidentment, això requereix que aquesta espècie es trobi en contacte amb la superfície de les nanopartícules. Un exemple interessant d’aquest tipus de mecanisme és la reacció d’oxidació d’alcohols sec-feniletílics i benzílics descrita per Scaiano i els seus col·laboradors (figura 4a, [31]). En aquest estudi, es van irradiar els alcohols seleccionats amb llum visible i en presència de AuNP col·loïdals i peròxid d’hidrogen per obtenir acetofenona i benzaldehid amb rendiments de fins al 50 % amb radiació polsada (figura 4b) i fins al 95 % amb radiació contínua. El mecanisme proposat per a aquest procés s’inicia amb la transferència d’un electró des de la superfície de les AuNP al peròxid d’hidrogen per produir un anió i un radical hidroxil, el qual acaba generant un radical peròxid com a espècie oxidant de l’alcohol corresponent. El producte resultant d’aquesta oxidació regenera el fotocatalitzador injectant-li un electró abans de convertir-se en el compost carbonílic final (figura 4c).

34

Revista Quimica 15.indd 34

Finalment, el tercer mecanisme mitjançant el qual les AuNP poden exercir la seva activitat fotocatalítica és l’anomenat efecte fototèrmic. Aquest efecte és degut a la via de relaxació principal de la LSPR excitada, que es produeix mitjançant col· lisions entre el núvol electrònic oscil·lant i el nucli de la NP a través d’interaccions electró-fonó. Això genera calor de forma homogènia a l’entramat de la partícula que es propaga al medi que l’envolta. Tot i que a nivell macroscòpic la calor alliberada només condueix a increments tèrmics del sistema on es troben les AuNP molt reduïts, a distàncies nanomètriques de la superfície es poden assolir temperatures de fins a centenars de graus centígrads [15, 32]. Per tant, aquest augment local tan considerable de la temperatura es pot explotar per induir tèrmicament una reacció química. Un exemple que evidencia aquest procés és la descomposició fotocatalítica de peròxid de dicumil descrita per Scaiano i els seus col·laboradors [32]. En aquest estudi, es va aconseguir la descomposició tèrmica d’aquest substrat en presència de AuNP i irradiació amb llum visible (figura 5).

Fotocatàlisi directa vs ús d’altres (foto)catalitzadors Independentment de quin sigui el mecanisme d’acció de les AuNP en un procés fotocatalític, aquestes nanoestructures poden actuar sobre les molècules de reactius de dues maneres diferents: a) directament i, per tant, intervenint com a únic

Figura 4. a) Reacció d’oxidació d’alcohols benzílics mitjançada per excitació plasmònica (l = 532 nm) amb AuNP en presència de H2O2. b) Gràfic de barres que il·lustra el percentatge de conversió a benzaldehid (blanc) i a acetofenona (negre) a partir dels alcohols secfeniletílic (R = CH3) i benzílic (R = H). c) Mecanisme proposat per a la fotooxidació d’aquests alcohols en presència d’una AuNP. Adaptat de [31] amb permís. Copyright 2011 American Chemical Society.

14/12/2016 10:30:59

Figura 5. a) Reacció de dissociació del peròxid de dicumil després d’irradiar amb llum làser polsada a l = 532 nm en presència de AuNP. b) Percentatge de substrat no reaccionat respecte al nombre de polsos de llum làser aplicats a solucions 1 mM de peròxid de dicumil en H2O amb un 5 % de metanol. Adaptat de [32] amb permís.

Copyright 2011 American Chemical Society.

catalitzador de la reacció (fotocatàlisi directa); b) cooperant amb altres (foto)catalitzadors per tal d’induir finalment el procés químic desitjat. En aquest segon cas, la funció de les AuNP pot ser molt diversa, depenent de quina és la reacció que es vol dur a terme i quins són els altres (foto)catalitzadors

utilitzats. Per exemple, les AuNP es poden usar per escalfar localment el medi de reacció per efecte fototèrmic i, així, accelerar l’acció de la resta dels (foto)catalitzadors que hi intervenen. En altres situacions, les AuNP es poden utilitzar per injectar càrregues (electrons o forats) sobre un altre catalitzador per irradiació amb llum, i així activar un procés redox induït per aquesta segona espècie. Aquest és el cas de l’exemple representat a la figura 6a-b, en què es fotocatalitza la reacció de generació de H2 a partir d’aigua mitjançant nanoestructures de Au de forma cilíndrica («nanorods» d’or) funcionalitzades en els extrems amb nanopartícules de Pt (Pt@ AuNR) [20]. En excitar amb llum visible i infraroja aquest sistema i produir-se l’absorció de radiació per part del plasmó superficial de les nanoestructures d’or, els electrons d’alta energia generats són transferits i acumulats a les nanopartícules de platí, i es dóna lloc d’aquesta manera a una separació de càrregues dins del fotocatalitzador. Això activa, d’una banda, la reducció d’aigua a H2 sobre les nanopartícules de Pt, és a dir, la reacció desitjada, mentre que la superfície d’or deficient en electrons oxida les molècules de metanol presents en el medi per regenerar el catalitzador. És important remarcar que aquest efecte fotocatalític requereix la presència del cocatalitzador de Pt, ja que, en eliminar-lo, no s’observa la producció de H2 (figura 6c).

Tal com demostra aquest exemple, l’activitat fotocatalítica de les AuNP pot expandir-se a un nombre de reaccions més gran amb l’ús combinat d’altres espècies. Tot i així, i per simplicitat, a partir d’ara tan sols tractarem aquells casos en què les nanoestructures d’or actuen com a únics catalitzadors del procés.

Figura 6. a) Generació de H2 en barreges aigua: metanol a temperatura ambient utilitzant irradiació contínua amb llum visible (l = 460-820 nm) i «nanorods» d’or (longitud ~50 nm, diàmetre ~13 nm) funcionalitzats als extrems amb nanopartícules piramidals de Pt (aresta ~7 nm) com a fotocatalitzadors. b) Imatge de microscòpia electrònica de transmissió (TEM) dels fotocatalitzadors emprats. c) Producció de H2 sota irradiació contínua per a fotocatalitzadors amb diferent contingut de Pt (0-25 mol %). Adaptat de [20] amb permís.

Copyright 2014 American Chemical Society.

Revista Quimica 15.indd 35

35

14/12/2016 10:31:00

Estratègies d’ús Tal com s’ha comentat, els tres mecanismes descrits amb anterioritat per a l’activitat fotocatalítica intrínseca de les AuNP presenten una característica comuna: els seus efectes són altament locals, ja que l’amplificació del camp electromagnètic, la generació de calor fotoinduïda i la transferència de càrregues només es produeixen a distàncies nanomètriques respecte de la superfície de les nanoestructures plasmòniques [12-17].

En conseqüència, aquests mecanismes només són efectius quan s’assoleixen separacions molt petites entre les nanopartícules i les molècules de reactius. Per tant, aquestes separacions han de ser minimitzades, si es vol optimitzar l’activitat fotocatalítica de les AuNP. Per tal d’assolir aquest objectiu, s’han desenvolupat diverses estratègies [12-17]. En el cas més senzill, la fotocatàlisi es realitza mitjançant AuNP col·loïdals que no es troben envoltades d’estabilitzants, les anomenades nanopartícules d’or «nues», per a les quals l’apropament dels reactius fins a la superfície està controlat simplement per processos de difusió. Per exemple, aquesta estratègia ha estat utilitzada per Scaiano i els seus col·laboradors en els estudis fotocatalítics de diverses reaccions químiques [17], com és el cas de la reducció de la resazurina en presència d’hidroxilamina per generar el compost fluorescent resorufina (figura 7a, [19]). Tal com s’observa a la figura 7b-c, l’ús de AuNP «nues» d’uns 13 nm de diàmetre permet dur a terme aquesta reacció de manera gairebé quantitativa a temperatura ambient i sota irradiació amb llum visible.

36

Tot i que l’absència de lligands estabilitzants al voltant de les AuNP de l’exemple anterior permet una aproximació màxima de les molècules de reactius a la superfície, aquesta estratègia comporta un desavantatge important: l’estabilitat davant l’agregació d’aquestes nanopartícules és molt baixa, la qual cosa en dificulta la separació de la mescla de reacció i el reciclatge posterior. Per tal d’evitar aquest inconvenient, s’ha desenvolupat una altra metodologia diferent, que consisteix a dipositar les AuNP «nues» sobre suports inerts. Aquest és el cas, per exemple, de les AuNP suportades sobre nanopartícules de SiO2 (AuNP@SiO2) i utilitzades per catalitzar la reacció d’amidació entre el benzaldehid i la morfolina mitjançant excitació amb llum visible (figura 8a-b, [28]). Tal com es mostra a la figura 8c, aquesta reacció pot tenir lloc de manera gairebé quantitativa i selectiva a temperatura ambient, gràcies a l’efecte fotocatalític de les nanoestructures plasmòniques

Revista Quimica 15.indd 36

Figura 7. a) Reducció de la resazurina a resorufina en presència d’hidroxilamina i AuNP, a temperatura ambient i amb irradiació amb llum verda polsada (l = 532 nm). b) Imatge de TEM de les AuNP emprades (diàmetre ~ 13 nm). c) Conversió de la reacció de reducció en absència de fotocatalizador (no AuNP) i en presència de AuNP i amb irradiació amb 1 pols (1 shot) i 10 polsos (10 shot) de llum verda. La conversió del procés s’expressa com l’increment relatiu del senyal de fluorescència mesurat respecte del 100 % de resorufina. Adaptat de [19] amb el permís de la Royal Society of Chemistry.

emprades, que permeten multiplicar per un factor de 4 la conversió obtinguda a aquestes condicions en absència d’irradiació. A més a més, i a causa de l’ús d’un suport que estabilitza les nanopartícules d’or fotoactives, el catalitzador pot ser reutilitzat durant diversos cicles sense observar una disminució significativa de la seva eficiència.

Malgrat els avantatges, l’ancoratge de AuNP sobre suports inerts disminueix la quantitat de superfície de catalitzador exposada al medi de reacció respecte del cas de les nanopartícules col·loïdals lliures i, per tant, hauria de conduir a una activitat catalítica menor per massa de catalitzador utilitzada.

D’altra banda, l’apropament dels substrats a les nanoestructures fotocatalítiques suportades continua depenent majoritàriament dels processos de difusió en solució, tot i que, en funció de la naturalesa del suport utilitzat, aquest pot ajudar a fixar molècules de reactius a la proximitat de les AuNP ancorades.

Una estratègia alternativa que permet minimitzar encara més la separació AuNP-reactiu i, per tant, l’eficiència fotocatalítica consisteix a unir directament les molècules de substrat a la superfície de les nanopartícules. Per aconseguir aquest objectiu, cal que aquestes molècules presentin grups terminals que assegurin la quimiosorció sobre les AuNP abans d’iniciar el

14/12/2016 10:31:01

Figura 8. a) Reacció d’amidació entre el benzaldehid i la morfolina fotocatalitzada per AuNP@SiO2 a temperatura ambient i sota irradiació amb llum verda contínua (l = 532 nm). A les condicions emprades, el dibenzoïl es pot generar com a subproducte. b) Imatge de TEM del fotocatalitzador emprat, que consisteix en AuNP de ~2 nm de diàmetre suportades sobre nanopartícules de SiO2 de ~150 nm de diàmetre. c) Conversió i selectivitat de la reacció d’amidació en absència i en presència de fotocatalitzador i irradiació. Adaptat de [28] amb el permís de la Royal Society of Chemistry.

procés de fotocatàlisi. Un exemple d’aquesta metodologia ha estat descrit per Branda i els seus col·laboradors, que van unir una molècula fluorescent de fluoresceïna a AuNP col·loïdals mitjançant un enllaç sulfur i utilitzant un grup pont que conté un cicloadducte provinent d’una reacció de Diels-Alder entre unitats de furan i maleïmida (figura 9a-b, [25]). En irradiar aquest sistema amb llum visible, l’efecte fototèrmic causat indueix el procés de dissociació d’aquest cicloadducte via reacció de retro-Diels-Alder, la qual cosa allibera les unitats de fluoresceïna al medi amb una gran eficiència (figures 9a i 9c). En aquest cas, però, i a diferència de les estratègies en què els reactius s’apropen a les AuNP per difusió, l’abast del procés és molt limitat, ja que només es pot fer reaccionar la petita quantitat de molècules de substrat que estan inicialment quimiosorbides sobre les nanopartícules.

Una nova estratègia per a l’ús de nanopartícules d’or com a fotocatalitzadors: aproximació supramolecular Al nostre grup de recerca hem desenvolupat recentment una nova metodologia per millorar l’activitat fotocatalítica de les

Revista Quimica 15.indd 37

AuNP, la qual es fonamenta en el fet d’augmentar l’eficiència de l’apropament dels reactius a la superfície de les nanopartícules tot superant els inconvenients de les estratègies que s’acaben de descriure [33]. Aquesta metodologia es basa a funcionalitzar les nanopartícules d’or amb amfitrions supramoleculars que siguin capaços de formar complexos amfitrió-hoste relativament làbils amb els reactius i productes de la reacció que es vol catalitzar (figura 10). Això hauria de permetre: a) afavorir que les molècules de substrat difonguin cap a la superfície de les AuNP, on formaran el corresponent complex supramolecular i, per tant, romandran durant un període de temps prou llarg per experimentar la reacció fotocatalitzada; b) si els complexos amfitrió-reactiu i amfitrió-producte són prou làbils, s’acabaran dissociant i lliuraran molècules de substrat no reaccionades i de producte formades al medi i, el que és més important, permetran l’entrada de noves molècules de reactiu per expandir l’abast del procés; c) augmentar l’estabilitat de les AuNP per tal de garantir-ne la recuperació i el reciclatge, ja que els amfitrions supramoleculars quimiosorbits sobre la superfície actuaran com a estabilitzants.

Fins al moment, aquesta metodologia ha estat assajada amb èxit per reaccions unimoleculars d’isomerització utilitzant derivats de ciclodextrina com a amfitrions supramoleculars [33], que consisteixen en oligosacàrids cíclics capaços de formar

37

14/12/2016 10:31:02

Figura 9. a) Reacció de retro-Diels-Alder del cicloadducte format per una unitat de furan i una de maleïmida, induïda a temperatura ambient per l’efecte fototèrmic produït sota irradiació amb llum verda polsada (l = 532 nm). Aquest procés allibera la molècula de fluoresceïna que inicialment es trobava quimiosorbida sobre el fotocatalitzador, de manera que evita l’efecte de desactivació de la seva emissió per part de les AuNP i condueix a un augment de la intensitat de la fluorescència generada. b) Imatge de TEM de les AuNP utilitzades (diàmetre ~16 nm). c) Evolució temporal de la reacció de retro-Diels-Alder sota irradiació contínua amb llum visible, la qual es pot monitorar en funció de l’augment de la fluorescència observat per a la mostra. Com a referència, també es representa el comportament del sistema a les fosques i sotmès a escalfament directe per induir la reacció tèrmica de dissociació.

Adaptat de [25] amb permís. Copyright 2009 Wiley-VCH.

complexos d’inclusió amb un gran nombre de molècules orgàniques i amb constants d’associació entre moderades i baixes [34]. Com que la mida de la cavitat interna i els grups funcionals terminals de les ciclodextrines poden ser modulats amb facilitat, aquesta estratègia es podria estendre amb facilitat a altres tipus de reaccions en el futur.

dal o suportades sobre altres substrats. En aquest context, el nostre grup ha introduït recentment una nova estratègia basada en la química supramolecular per tal de millorar l’activitat fotocatalítica de les nanopartícules d’or.

Conclusions

38

Entre els diversos camps que s’han proposat per explotar les propietats plasmòniques especials de les nanopartícules d’or, l’ús en fotocatàlisi és un dels que ha despertat l’interès de la comunitat científica en els darrers anys. Tal com es descriu en aquest article, això no només és degut a la capacitat d’aquestes nanoestructures de respondre a la irradiació amb llum visible i infraroja, sinó també a la gran versatilitat que mostren com a fotocatalitzadors, ja que: a) presenten diversos mecanismes d’acció basats en efectes fototèrmics, d’amplificació del camp electromagnètic incident i/o d’injecció de càrregues; b) poden actuar directament o en combinació amb altres (foto)catalitzadors, i c) poden utilitzar-se en suspensió col·loï-

Revista Quimica 15.indd 38

Figura 10. Esquema de l’aproximació supramolecular desenvolupada per augmentar l’eficiència fotocatalítica de AuNP.

14/12/2016 10:31:04

Agraïments La recerca del nostre grup en el camp de la fotocatàlisi amb nanopartícules d’or està finançada pel Ministeri d’Economia i Competitivitat (projectes CTQ2012-30853 i CTQ201565439-R) i per la Universitat Autònoma de Barcelona (beca predoctoral de Marc Padilla).

Referències [1] Cao, G. Nanostructures and nanomaterials: Synthesis, properties and applications. Londres: Imperial College Press, 2004.

[2] Roduner, E. «Size matters: why nanomaterials are different». Chem. Soc. Rev., núm. 35 (2006), p. 583-592.

[3] Burda, C.; Chen, X.; Narayana, R.; El-Sayed, M. A. «Chemistry and properties of nanocrystals of different shapes». Chem.

Rev., núm. 105 (2005), p. 1025-1102.

[4] Sepúlveda, B.; Angelomé, P. C.; Lechuga, L. M.; Liz-Marzán, L. M. «LSPR-based nanobiosensors». Nano Today, núm. 4 (2009), p. 244-251.

[5] Huang, X.; Jain, P. K.; El-Sayed, I. H. «Plasmonic photothermal therapy (PPTT) using gold nanoparticles». Lasers Med. Sci., núm. 23 (2008), p. 217-228.

[6] Love, J. C.; Estroff, L. A.; Kriebel, J. K.; Nuzzo, R. G.; Whitesides, G. M. «Self-assembled monolayers of thiolates on metals as a form of nanotechnology». Chem. Rev., núm. 105 (2005), p. 1103-1170.

[7] Thompson, D. T. «Using gold nanoparticles for catalysis».

Nano Today, núm. 2 (2007), p. 40-43.

[8] Biswas, A.; Wuang, T.; Biris, A. P. «Single metal nanoparticle spectroscopy: optical characterization of individual nanosystems for biomedical applications». Nanoscale, núm. 2 (2010), p. 1560-1572.

[9] Kelly, K. L.; Coronado, E.; Zhao, L. L.; Schatz, G. C. «The optical properties of gold nanoparticles: the influence of size, shape, and dielectric environment». J. Phys. Chem. B, núm. 107 (2003), p. 668-677.

[10] Saha, K.; Agasti, S. S.; Kim, C.; Li, X.; Rotello, V. M. «Gold nanoparticles in chemical and biological sensing». Chem. Rev., núm. 112 (2012), p. 2739-2779.

[11] Yang, Y.; Feng, S.; Li, M.; Wu, Z.; Fang, X.; Wang, F.; Geng, D.; Yang, T.; Li, X.; Sun, B.; Gao, X. «Structure, absorption and optical performance of organic solar cells improved by gold nanoparticles in buffer layers». ACS Appl. Mater. Interfaces, núm. 7 (2015), p. 24430-24437.

Revista Quimica 15.indd 39

[12] Watanabe, K.; Menzel, D.; Nillius, N.; Freund, H.-J. «Photochemistry on metal nanoparticles». Chem. Rev., núm. 106 (2006), p. 4301-4320.

[13] Zhou, X.; Liu, G.; Yu, J.; Fan, W. «Surface plasmon resonancemediated photocatalysis by noble metal-based composites under visible light». J. Mater. Chem., núm. 22 (2012), p. 21337-21354.

[14] Wang, C.; Astruc, D. «Nanogold plasmonic photocatalysis for organic synthesis and clean energy conversion». Chem.

Soc. Rev., núm. 43 (2014), p. 7188-7216.

[15] Baffou, G.; Quindant, R. «Nanoplamonics for chemistry».

Chem. Soc. Rev., núm. 43 (2014), p. 3898-3907.

[16] Linic, S.; Aslam, U.; Boerigter, C.; Morabito, M. «Photochemical transformations on plasmonic metal nanoparticles». Nat. Mater., núm. 14 (2015), p. 567-576.

[17] Scaiano, J. C.; Netto-Ferreira, J. C.; Alarcon, E.; Billone, P.; Bueno-Alejo, C. J.; Crites, C.-O. L.; Decan, M.; Fasciani, C.; González-Béjar, M.; Hallett-Tapley, G.; Grenier, M.; McGilvray, K. L.; Pacioni, N. L.; Pardoe, A.; René-Boisneuf, L.; Schwartz-Narbonne, R.; Silvero, M. J.; Stamplecoskie, K. G.; Wee, T.-L. «Tuning plasmon transitions and their applications in organic photochemistry».

Pure Appl. Chem., núm. 83 (2011), p. 913-930.

[18] Zhu, H.; Ke, X.; Yang, X.; Sarina, S.; Liu, H. «Reduction of nitroaromatic compounds on supported gold nanoparticles by visible and ultraviolet light». Angew. Chem. Int. Ed., núm. 49 (2010), p. 9657-9661.

[19] Bueno-Alejo, C. J.; Fasciani, C.; Grenier, M.; Netto-Ferreira, J. C.; Scaiano, J. C. «Reduction of resazurin to resorufin catalyzed by gold nanoparticles: dramatic reaction acceleration by laser or LED plasmon excitation». Catal. Sci. Technol., núm. 1 (2011), p. 1506-1511.

[20] Zheng, Z.; Tachikawa, T.; Majima, T. «Single-particle study of Pt-modified Au nanorods for plasmon-enhanced hydrogen generation in visible to near-infrared region». J. Am. Chem.

Soc., núm. 136 (2014), p. 6870-6873.

[21] Chen, X.; Zhu, H.-Y.; Zhao, J.-C.; Zheng, Z.-F.; Gao, X.-P. «Visible-light-driven oxidation of organic contaminants in air with gold nanoparticle catalysts on oxide supports». Angew.

Chem. Int. Ed., núm. 47 (2008), p. 5353-5356.

[22] Wee, T.-L.; Schmidt, L. C.; Scaiano, J. C. «Photooxidation of 9-anthraldehyde catalyzed by gold nanoparticles: solution and single nanoparticle studies using fluorescence lifetime imaging». J. Phys. Chem. C, núm. 116 (2012), p. 24373-24379.

[23] Xiao, Q.; Liu, Z.; Bo, A.; Zavahir, S.; Sarina, S.; Bottle, S.; Riches, J. D.; Zhu, H. «Catalytic transformation of aliphatic alcohols to corresponding esters in O2 under neutral conditions

39

14/12/2016 10:31:04

using visible-light irradiation». J. Am. Chem. Soc., núm. 137 (2015), p. 1956-1966.

[24] Adleman, J. R.; Boyd, D. A.; Goodwin, D. G.; Psaltis, D. «Heterogenous catalysis mediated by plasmon heating». Nano Lett., núm. 9 (2009), p. 4417-4423.

[25] Bakhtiari, A. B. S.; Hsiao, D.; Jin, G.; Gates, B. D.; Branda, N. R. «An efficient method based on the photothermal effect for the release of molecules from metal nanoparticle surfaces». Angew. Chem. Int. Ed., núm. 48 (2009), p. 4166-4169.

[26] Mukherjee, S.; Zhou, L.; Goodman, A. M.; Large, N.; AyalaOrozco, C.; Zhang, Y.; Nordlander, P.; Halas, N. J. «Hot-electron-induced dissociation of H2 on gold nanoparticles supported on SiO2». J. Am. Chem. Soc., núm. 136 (2014), p. 64-67.

[27] Wang, F.; Li, C.; Chen, H.; Jang, R.; Sun, L.-D.; Li, Q.; Wang, J.; Yu, J. C.; Yan, C.-H. «Plasmonic harvesting of light energy for Suzuki coupling reactions». J. Am. Chem. Soc., núm. 135 (2013), p. 5588-5601.

[28] Pineda, A.; Gómez, L.; Balu, A. M.; Sebastián, V.; Ojeda, M.; Arruebo, M.; Romero, A. A.; Santamaría, J.; Luque, R. «Laser-driven heterogeneous catalysis: efficient amide formation catalysed by Au/SiO2 systems». Green Chem., núm. 15 (2013), p. 2043-2049.

[29] Zhang, X.; Ke, X.; Du, A.; Zhu, H. «Plasmonic nanostructures to enhance catalytic performance of zeolites under visible light». Sci. Rep., núm. 4 (2014), p. 3805.

[30] Ueno, K.; Juodkacis, S.; Shibuya, T.; Yokota, Y.; Mizeikis, V.; Sasaki, K.; Misawa, H. «Nanoparticle plasmon-assisted two-photon polymerization induced by incoherent excitation source». J. Am. Chem. Soc., núm. 130 (2008), p. 6928-6929.

[31] Hallet-Tapley, G. L.; Silvero, M. J.; González-Béjar, M.; Grenier, M.; Netto-Ferreira, J. C.; Scaiano, J. C. «Plasmon-mediated catalytic oxidation of sec-phenethyl and benzyl alcohols».

J. Phys. Chem. C, núm. 115 (2011), p. 10784-10790.

[32] Fasciani, C.; Bueno-Alejo, C. J.; Grenier, M.; Netto-Ferreira, J. C.; Scaiano, J. C. «High-temperature organic reactions at room temperature using plasmon excitation: decomposition of dicumyl peroxide». Org. Lett., núm. 13 (2011), p. 204-207.

[33] Padilla-Barriento, M.; Peccati, F.; Bourdelande, J. L.; Solans, X.; Guirado, G.; Sodupe, M.; Hernando, J. «Enhanced photocatalytic activity of gold nanoparticles driven by supramolecular host-guest chemistry». Chem. Commun. [En revisió] [34] Rekharsky, M. V.; Inoue, Y. «Complexation thermodynamics of cyclodextrins». Chem. Rev., núm. 98 (1998), p. 1875-1917.

40

Revista Quimica 15.indd 40

14/12/2016 10:31:04

M. Padilla

J. L. Bourdelande

J. Hernando

Marc Padilla va néixer a Lleida l’any 1985. És llicenciat en biologia (2011) i química (2012) per la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), on va cursar un màster després d’haver realitzat una estada Erasmus de nou mesos a la Universitat Masaryk de Brno (República Txeca), en el grup de Fotoquímica Orgànica. Actualment realitza la tesi doctoral a la UAB en el camp de la fotocatàlisi amb nanopartícules d’or.

José Luis Bourdelande és llicenciat en química (1978) per la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), on actualment és catedràtic de química orgànica (2006). Va fer la tesi doctoral en el camp de la derivatització de polímers (1981) i una estada postdoctoral a la Universitat d’Alberta a Edmonton (Canadà, 1983-1985) en el camp de la fotoquímica, en el qual continua treballant després d’haver implementat a la UAB la tècnica de l’absorció transitòria resolta en el temps a l’escala dels nanosegons.

Jordi Hernando va néixer a Barcelona l’any 1974. És llicenciat en química per la Universitat de Barcelona, on va realitzar la tesi doctoral en el camp de la cinètica i la dinàmica de reaccions químiques (2000). Després de fer una estada postdoctoral a la Universitat de Twente (Països Baixos), es va incorporar al Departament de Química de la Universitat Autònoma de Barcelona com a investigador Ramón y Cajal (2004). Actualment és professor agregat d’aquesta universitat i la seva activitat de recerca se centra en la síntesi de molècules i materials fotoactius i la seva caracterització a nivell macro- i nanoscòpic.

41

Revista Quimica 15.indd 41

14/12/2016 10:31:05

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 15 (2016), p. 42-48 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 DOI: 10.2436/20.2003.01.73 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Avenços cap a la síntesi de les formidolides B i C Improvements towards the synthesis of phormidolides B and C Alejandro Gil,1 Fernando Albericio1, 2, 3 i Mercedes Álvarez1, 4 1 Universitat de Barcelona. Parc Científic de Barcelona. ChemBioLab 2 Universitat de Barcelona. Facultat de Química. Departament de Química Inorgànica i Orgànica. Secció de Química Orgànica 3 Universitat de KwaZulu-Natal. Facultat de Química (Sud-àfrica) 4 Universitat de Barcelona. Facultat de Farmàcia. Laboratori de Química Orgànica

Resum: En el present treball es descriu la millora més important realitzada en el procés de la síntesi de les formidolides B i C. Aquesta millora es basa en un canvi d’estratègia per sintetitzar el nucli macrocíclic d’aquesta família de compostos. Els canvis principals han estat la utilització d’una metodologia diastereoselectiva per a la formació del nucli de tetrahidrofuran (THF), l’addició d’un al·lilstannà a un aldehid per donar exclusivament l’isòmer desitjat (Z )–1,5–anti i la millora en les condicions finals de ciclació. Tot això va suposar multiplicar per deu el rendiment descrit anteriorment.

Paraules clau: Síntesi total, productes naturals, diastereoselectivitat, formidolida.

Abstract: This paper describes the most important optimization carried out in the phormidolides B and C synthetic process. It consists in a change of strategy in order to synthesize the macrocyclic core of this family of compounds. The main changes have been the use of a diastereoselective methodology to construct the tetrahydrofuran (THF) core, a ( Z)–1,5–anti allylstannane addition where the synthesis converges, and a notable improvement in the cyclization conditions. All this work has supposed a 10-fold increment in the overall yield of the synthesis.

Keywords: Total synthesis, natural products, diastereoselectivity, phormidolide.

Introducció

E

ls productes naturals extrets d’animals i plantes són una font inesgotable de nous candidats per desenvolupar fàrmacs. Més del 70 % de la superfície del nostre planeta està coberta d’aigua i, gràcies als recents avenços tecnològics, s’ha assolit una millor accessibilitat als recursos que rius, mars i oceans ens ofereixen. Englobats en aquests recursos es troben els organismes marins, font abans inexplorada de productes naturals que ofereixen una enorme diversitat estructural i interessants propietats farmacològiques [1]. Cada any s’aïllen centenars de compostos provinents d’organismes marins [2] i cadascun és un fàrmac potencial per tractar diferents malalties. Actualment, la majoria dels processos d’extracció de productes naturals comencen amb tècniques de fraccionament biodirigides on les primeres fraccions que donen activitat biològica són purificades per determinar quin és el compost actiu. Una vegada aïllada la molècula activa, se’n realitza la determinació estructural mitjançant tècniques espectroscòpiques com la ressonància magnètica nuclear mono-

42

Correspondència: Mercedes Álvarez Universitat de Barcelona. Parc Científic de Barcelona. ChemBioLab C. de Baldiri Reixac, 10-12. 08028 Barcelona Tel.: +34 934 034 791 A/e: mercedesalvarez@ub.edu

Revista Quimica 15.indd 42

i bidimensional (NMR) i l’espectrometria de masses d’alta resolució (HRMS), entre d’altres. Un cop se’n coneixen l’estructura i l’activitat, si la molècula té o pot tenir interès des del punt de vista farmacològic, els químics sintètics entren en joc dissenyant la síntesi més efectiva d’aquest compost per confirmar l’estructura proposada i per tenir a l’abast més quantitat de producte i aprofundir en els estudis farmacològics necessaris.

En el cas de les formidolides B i C (figura 1), el procés es troba en el moment del disseny i validació de la síntesi total.

Aquestes molècules pertanyen a una gran família de compostos d’origen marí que comparteixen el fet de tenir una macrolactona a l’estructura [3]. Les formidolides van ser aïllades per l’empresa PharmaMar, SA a partir d’una esponja del gènere Petrosiidae recollida a les costes de l’illa Pemba, molt a prop de Tanzània, i van donar activitat citotòxica en el rang micromolar en tres línies cel·lulars de diferents tipus de càncer humà amb un mecanisme d’acció desconegut [4]. Des del punt de vista estructural, les formidolides consten de tres parts ben diferenciades: una macrolactona, una cadena poliòlica i un àcid gras. El macròlid està format per tretze àtoms de carboni amb un doble enllaç trisubstituït de configuració Z, sis centres estereogènics i conté un nucli de tetrahidrofuran (THF). Unida a la macrolactona hi ha la cadena polihidroxilada, comuna a altres productes naturals com l’oscillariolida [5] i la formidolida A [6]. A l’últim hidroxil de la cadena, mitjançant un enllaç de ti-

14/12/2016 10:31:05

Figura 1. Estructura química de les formidolides B i C.

pus èster, hi ha ancorat l’àcid gras. Les formidolides B i C es diferencien únicament en la naturalesa de l’àcid gras.

L’estratègia sintètica general desenvolupada al nostre grup es basa en un procés convergent basat en dues desconnexions moleculars principals per donar el macrocicle (blau), el poliol (verd) i els àcids grassos (porpra), que seran units al final de la ruta sintètica (figura 1). L’ordre d’unió dels diferents fragments encara s’ha d’estudiar i dependrà dels requeriments sintètics.

Durant més de cinc anys, al nostre grup s’ha estat treballant en la síntesi d’aquesta família de molècules i s’han fet grans avenços de cara a finalitzar la síntesi total en els propers anys.

En un primer treball, es va descriure la primera síntesi diastereoselectiva [4] de tres diastereòmers del nucli macròlid, i amb aquesta informació es va confirmar l’estereoquímica present al macrocicle de les formidolides B i C. Aquesta primera ruta va utilitzar una olefinació de Julia-Kocienski en condicions optimitzades [7] per aconseguir preparar de forma efectiva el doble enllaç Z del macrocicle. Amb les dades estereoquímiques confirmades, es va dissenyar una nova síntesi més efectiva [8] que, a causa de la notable millora de rendiment, va permetre per primer cop aïllar el macròlid desprotegit per comparar desplaçaments químics de protó i carboni amb els productes naturals. També s’han realitzat estudis previs de la unió entre el macròlid i la cadena polihidroxilada [9]. Recentment, s’ha aconseguit la primera aproximació sintètica a la part més complexa de la molècula: el domini bromo–metoxi– dié (BMD) present al final de la cadena poliòlica (vermell) de les formidolides A-C i les oscillariolides (figura 1) [10].

Resultats i discussió Tots aquests avenços han estat possibles mitjançant un procés iteratiu de millora i optimització de les rutes sintètiques.

Aquesta tasca del químic orgànic sintètic és de vital impor-

Revista Quimica 15.indd 43

tància, ja que un canvi, per petit que sembli, pot ser la diferència entre una ruta eficient o ineficient o entre arribar al producte natural o no arribar-hi. A continuació s’exposarà un exemple concret de modificacions sintètiques aplicades als nostres productes naturals, com són ara les millores introduïdes a la ruta sintètica del macrocicle. En primer lloc, es presentarà la primera estratègia utilitzada, es comentaran els possibles punts de millora i, finalment, s’exposarà la nova síntesi optimitzada amb els resultats obtinguts.

Primera ruta sintètica [4] La primera síntesi estereoselectiva parteix de la 2–d–desoxiribosa com a font de quiralitat i es pot dividir en dues parts ben diferenciades. A la primera part, es prepara el nucli de tetrahidrofuran amb l’estereoquímica desitjada i s’arriba a l’aldehid 5 i, a la segona, s’allarga la cadena de forma estereoselectiva abans de fer-ne ciclació en condicions de Yamaguchi al final de la síntesi (esquema 1).

La síntesi començava amb una reacció de Wittig entre la 2–d–desoxiribosa i un ilur de fosfoni seguida d’una ciclació de tipus oxa-Michael amb NaOEt per obtenir el nucli de THF. Després de protegir quimioselectivament l’hidroxil primari de 1 amb TBDPSCl, se separaven els diastereòmers de la posició 5 mitjançant una complicada purificació per columna cromatogràfica. La protecció de 2 amb TBSCl, seguida de la reducció de l’èster etílic, donava accés a l’aldehid 3 amb bons rendiments. Amb l’objectiu d’introduir el metil de forma diastereoselectiva, es va incorporar un auxiliar d’Evans per acció del reactiu 6, i l’addició diastereoselectiva de MeMgBr va donar el compost 4, que, per l’eliminació de l’oxazolidinona i la posterior oxidació, rendia l’aldehid 5 de forma molt eficient.

L’addició aldòlica d’acetona a l’aldehid 5 mitjançada per (-)-DIPCl conduí al compost 7 (dr = 88:12) amb un rendiment

43

14/12/2016 10:31:05

Esquema 1. Síntesi de l’aldehid 5: a) Ph3P = CHCO2Et, THF, 66 °C, 6 h, 94 %; b) NaOEt, EtOH, RT, 24 h, 80 %; c) TBDPSCl, Et3N, DMAP, CH2Cl2, RT, 48 h, separació de diastereòmers, 2 45 %; d ) TBSCl, imidazole, DMAP, CH2Cl2, RT, 3 h, 90 %; e) DIBAL–H, CH2Cl2, −78 °C, 15 min, 94 %; f ) 6, NaHDMS, THF, RT, 2 h, 78 %; g) MeMgBr, CuBr·DMS, BF3·Et2O, THF, −78 °C fins a RT, 4 h, 84 %; h) LiBH4, Et2O, 0 °C, 1 h, 79 %; i ) DMP, CH2Cl2, RT, 1 h, 92 %.

del 67 %, després d’aïllar el diastereòmer majoritari per columna cromatogràfica (esquema 2). Les etapes lineals posteriors van ser: la protecció de l’hidroxil de 7 amb TIPSOTf, la reducció de la cetona, la reacció de Mitsunobu amb l’1–fenil–1H–tetrazolil–5–tiol i una oxidació final del tiol amb mCPBA que van produir la sulfona 8 amb bons rendiments.

L’última part de la cadena es va introduir amb condicions d’olefinació de Julia-Kocienski optimitzades [7]. La reacció entre la sulfona 8 i l’aldehid 9 va produir majoritàriament el compost isòmer Z 10 (dr = 7:3) amb un rendiment moderat del 38 %. L’eliminació dels grups protectors, seguida de la ciclació en condicions de Yamaguchi, va proporcionar el macrocicle protegit M1 amb un rendiment moderat.

Aquesta ruta va possibilitar l’accés a tres diastereòmers diferents del nucli macròlid [4] i va permetre, per comparació dels espectres de RMN del producte natural amb els macròlids protegits, determinar que l’estereoquímica més plausible per al macrocicle és la 3R, 7S, 9R, 11R, 13S, 14R. No obstant això, es necessitava una ruta de menys passos lineals i amb

uns rendiments més alts de cara a afrontar amb garanties la síntesi total de les formidolides. Es van identificar els possibles punts de millora d’aquesta síntesi, que es detallen a continuació: — Utilitzar el TES en comptes del TBS per protegir l’hidroxil secundari del THF. Això ens permetria eliminar-lo de forma ràpida i efectiva al final de la síntesi, abans de fer-ne ciclació.

— Aplicar un procés diastereoselectiu a la síntesi del nucli de THF (C5) per evitar la separació de diastereòmers al començament de la síntesi amb la consegüent pèrdua de material.

— Reduir la linealitat. Podríem sintetitzar un compost que reaccioni amb l’aldehid 5 i, en un sol pas en comptes de sis, doni directament el precursor del seco-àcid per fer-ne ciclació?

— Optimitzar les condicions de ciclació.

Ruta optimitzada al macrocicle [8] Amb les consideracions anteriors, es va dissenyar una nova estratègia que va convertir la ruta de lineal a convergent. La nova estratègia es basa en la desconnexió de l’èster i la desconnexió entre els carbonis 6 i 7 per donar dos fragments grans que se sintetitzarien de forma independent i convergirien al final de la síntesi (esquema 3). L’aldehid 11 s’obtindria, així, amb una nova estratègia més eficient i tan sols es dife-

44

Esquema 2. Obtenció del macrocicle M1: a) acetona, (-)-DIPCl, Et3N, Et2O, −78 °C fins a −20 °C, 16 h, aleshores H2O2, MeOH, RT, 1 h, 67 %; b) TIPSOTf, imidazole, DMAP, DMF, 90 °C, 16 h, 93 %; c) NaBH4, THF, EtOH, RT, 1 h, 89 %; d ) 1–fenil–1H– tetrazolil–5–tiol, DIAD, PPh3, THF, RT, 6 h, 71 %; e) mCPBA, CH2Cl2, RT, 16 h, 89 %; f ) LDA, HMPA, 4Å MS, THF, RT, 1 min, aleshores 9, RT, 2 h, 38 %; g) TMSOTf, Et3N, CH2Cl2, RT, 15 min, aleshores PPTS, MeOH, RT, 30 min, 68 %; h) clorur de 2,4,6– triclorobenzoïl, Et3N, CH2Cl2, DMAP, RT, 16 h, 39 %.

Revista Quimica 15.indd 44

Esquema 3. Nou plantejament retrosintètic.

14/12/2016 10:31:06

renciaria del compost 5 en el grup protector de la posició 2 de l’anell de THF. Aquest canvi de TBS per TES permetrà una desprotecció més ràpida i efectiva abans de la ciclació final.

La nova ruta comença amb el mateix sucre comercial, la 2–d– desoxiribosa, que, en primer lloc, es va oxidar la posició anomèrica per fixar la seva conformació de lactona. La protecció quimioselectiva successiva amb TBDPS i TES dels hidroxils i una reacció one-pot on es redueix i s’acetila el carboni anomèric generen el compost 13 com a mescla d’epímers en la posició C5 (esquema 4). Tractant el compost 13 en les condicions descrites per J. C. Tran [11], s’obté el compost al·lílic 14a, amb uns rendiments elevats i una total diastereoselectivitat. Aquesta diastereoselectivitat s’explica pels efectes estereoelectrònics del catió oxocaberni generat en tractar 13 amb BF3·Et2O. Aquesta reacció és clau per solucionar el problema de la separació de diastereòmers al començament de la ruta sintètica i aprofitar tot el material per continuar la ruta. Una ozonòlisi, la instal·lació de l’auxiliar quiral mitjançant una reacció de Horner-Wadsworth-Emmons i la posterior metilació diastereoselectiva donen el compost 16. L’eliminació de l’oxazolidinona i l’oxidació amb el periodinà de Dess-Martin generen l’aldehid 11, que és l’intermedi clau en aquesta síntesi del macrocicle.

L’al·lilestannà 12 [8] es va preparar en cinc etapes d’elevat rendiment a partir de l’aldehid 9 [4]. L’etapa clau on convergeix la nova síntesi és l’addició (Z )–1,5–anti diastereoselectiva [12] del compost 12 a l’aldehid 11. Aquesta reacció és important des del punt de vista sintètic i estèric, ja que en una sola reacció es va generar un nou estereocentre i un doble enllaç trisubstituït de configuració Z de forma altament diastereoselectiva amb un rendiment del 75 %. El mecanisme de la

reacció indicat a l’esquema 5 justifica l’elevada estereoselectivitat de la reacció.

En primer lloc, la transmetal·lació per reacció entre l’al·lilestannà 12 i el SnCl4 que genera l’intermedi A està controlada facialment per l’estereocentre present a 12. L’intermedi sintètic A és estable a −78 °C i, quan s’hi afegeix l’aldehid 11, es genera un estat de transició de 6 membres (B) on el substituent voluminós de 11 (R) queda en posició pseudoequatorial.

Aquesta disposició espacial és la responsable que el nou estereocentre tingui configuració S i que la resta de la cadena que penja del carboni unit a l’estany estigui en disposició axial per evitar la interacció amb els àtoms de clor, amb la qual cosa es genera únicament el doble enllaç de configuració Z. Cal destacar que no s’ha trobat descrita a la bibliografia cap addició d’aquest tipus per crear un doble enllaç trisubstituït i que és el primer cop que s’utilitza aquesta reacció en una molècula tan gran i funcionalitzada. S’ha demostrat la robustesa i la utilitat d’aquesta metodologia per a la síntesi de productes naturals.

Finalment, l’hidroxil generat a 17 es va protegir amb TBS i, seguidament, la desprotecció selectiva de l’èster tert-butílic i el TES van donar el seco-àcid 18 amb uns elevats rendiments. La ciclació en condicions de Shiina va donar un rendiment del 67 %, que, comparat amb l’anterior del 39 % en condicions de Yamaguchi, representa una millora notable del procés global de la síntesi del macrocicle protegit M2. La metodologia de Shiina va permetre reduir la quantitat d’espècies di- i trimèriques que reduïen el rendiment en la ruta anterior.

Finalment es van optimitzar les condicions per desprotegir quimioselectivament el nucli macrocíclic. Un excés de disso-

Esquema 4. Síntesi de l’aldehid 11: a) Br2, H2O, quant.; b) TBDPSCl, imidazole, DMF, 40 %; c) TESCl, imidazole, CH2Cl2, 92 %; d ) DIBAL–H, CH2Cl2, −78 °C, 60 min, llavors DMAP a CH2Cl2, Et3N i Ac2O, 76 %; e) al·liltrimetilsilà, BF3·Et2O, CH2Cl2, −78 °C, 81 %; f ) TESCl, imidazole, CH2Cl2; g) O3, CH2Cl2, −78 °C, aleshores PPh3, 96 %; h) 6, NaHDMS, THF, RT, 2 h, 82 %; i ) MeMgBr, CuBr·DMS, BF3·Et2O, THF, −78 °C fins a RT, 4 h, 91 %; j ) LiBH4, Et2O, 0 °C, 1 h, 65 %; k) DMP, CH2Cl2, RT, 1 h, 95 %.

Revista Quimica 15.indd 45

45

14/12/2016 10:31:06

Esquema 5. Addició (Z )–1,5–anti diastereoselectiva de l’al·lilestannà 12 a l’aldehid 11.

lució tamponada de TBAF en 1,4–dioxà a 90 °C durant 36 h va donar el macrocicle 19 totalment desprotegit. La comparació dels espectres de RMN del compost 19 amb els del producte natural confirmaren l’estereoquímica proposada prèviament [4]. A més, canviant el dissolvent per THF i reduint la temperatura i el temps de reacció es va aconseguir la desprotecció de l’alcohol primari, que va ser oxidat amb DMP a l’aldehid 20 amb un rendiment del 72 % per als dos passos. L’aldehid 20 és l’intermedi clau per introduir la cadena de poliol i concloure la síntesi de les formidolides en el futur.

Conclusions La contínua millora en les rutes sintètiques és un requisit per assolir objectius sintètics complexos. En el nostre cas, l’objec-

46

Revista Quimica 15.indd 46

tiu principal és la síntesi total i la confirmació estructural de les formidolides B i C. En aquest treball, hem presentat l’optimització més important feta al nostre grup per millorar el rendiment global de la síntesi del nucli macrocíclic de la molècula. La utilització del grup protector TES en comptes de TBS en el nucli de THF va permetre una desprotecció més ràpida i eficient al final de la síntesi. La metodologia desenvolupada per J. C. Tran va ser important per introduir diastereoselectivament el substituent al·lílic de la posició C5 per evitar la separació d’isòmers en les primeres etapes de la síntesi. El punt de convergència de la síntesi, l’addició (Z)–1,5–anti de l’al·lilestannà 12 a l’aldehid 11, va funcionar de forma excel·lent no solament en termes de rendiment, sinó també en donar únicament el diastereòmer desitjat per continuar la síntesi. La utilització de les condicions de Shiina per a la ciclació final va ser una altra millora notable que quasi va duplicar el rendi-

Esquema 6. Obtenció dels macrocicles M2, 19 i 20: a) 2,6–lutidina, TBSOTf, CH2Cl2, 30 min, aleshores TMSOTf; b) PPTS, MeOH, 20 min, 72 % per als dos passos; c) anhídrid 2–metil–6–nitrobenzoic, DMAP, toluè, 67 %; d ) TBAF/AcOH, 1,4–dioxà, 90 °C, 36 h, 54 %; e) TBAF/AcOH, THF, 40 °C, 16 h, 72 %; f ) DMP, NaHCO3, CH2Cl2, quant.

14/12/2016 10:31:07

ment anterior (Yamaguchi) per a aquesta etapa determinant.

Un cop es van solucionar els punts de millora proposats de la primera síntesi, el rendiment de l’obtenció del macrocicle protegit es va multiplicar per deu i la seqüència lineal més gran es va reduir de 17 a 13 passos. Tenir totes les rutes d’una síntesi total optimitzades pot ser la diferència entre ser capaç de completar-la o fracassar en l’intent, i aquí es descriu un exemple d’una d’aquestes optimitzacions que, possiblement, en un futur ens permetrà finalitzar la síntesi d’aquesta família de compostos.

Agraïments Aquest estudi s’ha finançat amb fons de MINECO-FEDER (CTQ2012-30930), la Generalitat de Catalunya (2014 SGR137) i l’Institut de Recerca Biomèdica. A. G. agraeix al Ministeri d’Educació la beca FPI.

Referències [1] Rangel, M. «An overview of the marine natural products in clinical trials and on the market». J. Coast. Life Med., núm. 6 (2015), p. 421-428.

[2] Blunt, J. W.; Copp, B. R.; Keyzers, M. H. G.; Munro, M. H. G.; Prinsep, M. R. «Marine natural products». Nat. Prod. Rep., núm. 32 (2015), p. 116-211.

[3] Lorente, A.; Makowski, K.; Albericio, F. «Bioactive marine polyketides as potential and promising drugs». Ann. Mar. Biol.

Res., núm. 1 (2014), p. 1003-1013.

[4] Lorente, A.; Gil, A.; Fernández, R.; Cuevas, C.; Albericio, F.; Álvarez, M. «Phormidolides B and C, cytotoxic agents from the

sea: enantioselective synthesis of the macrocyclic core».

Chem. Eur. J., núm. 21 (2015), p. 150-156.

[5] Murakami, M.; Matsuda, H.; Makabe, K.; Yamaguchi, K. «Oscillariolide, a novel macrolide from a blue-green alga Oscillatoria sp.». Tetrahedron Lett., núm. 32 (1991), p. 2391-2394.

[6] Williamson, R. T.; Boulanger, A.; Vulpanovici, A.; Roberts, M.; Gerwick, W. H. «Structure and absolute stereochemistry of phormidolide, a new toxic metabolite from the marine cyanobacterium Phormidium sp.». J. Org. Chem., núm. 67 (2002), p. 7927-7936.

[7] Lorente, A.; Albericio, F.; Álvarez, M. «Selective formation of a Z–trisubstituted double bond using a 1–(tert–butyl)tetrazolyl sulfone». J. Org. Chem., núm. 79 (2014), p. 10648-10654.

[8] Gil, A.; Lorente, A.; Albericio, F.; Álvarez, M. «Stereoselective allylstannane addition for a convergent synthesis of a complex molecule». Org. Lett., núm. 17 (2015), p. 6246-6249.

[9] Lamariano-Merketegi, J.; Lorente, A.; Gil, A.; Albericio, F.; Álvarez, M. «Addition of vinylmetallic reagents to chiral 2–formyltetrahydrofuran». Eur. J. Org. Chem., núm. 1 (2015), p. 235241.

[10] Gil, A.; Lamariano-Merketegi, J.; Lorente, A.; Albericio, F.; Álvarez, M. «Synthesis of (E)–4–bromo–3–methoxybut–3–en–2– one, the key fragment in the polyhydroxylated chain common to oscillariolide and phormidolides A-C». Chem. Eur. J. (2016).

DOI: 10.1002/chem.201601578.

[11] Tran, V. T.; Woerpel, K. A. «Nucleophilic addition to silyl-protected five-membered ring oxocarbenium ions governed by stereoelectronic effects». J. Org. Chem., núm. 78 (2013), p. 6609-6621.

[12] McNeill, A. H.; Thomas, E. J. «Effective 1,5-asymmetric induction in tin(iv) chloride promoted reactions between aldehydes and (4–alkoxy–2–alkenyl)tributylstannanes». Synthesis, núm. 3 (1994), p. 322-334.

47

Revista Quimica 15.indd 47

14/12/2016 10:31:08

A. Gil

F. Albericio

M. Álvarez

Alejandro Gil Escolano és llicenciat en química per la Universitat Jaume I de Castelló de la Plana. L’any 2013 va cursar el màster en química aplicada i farmacològica a la mateixa institució i al començament del 2014 va començar la tesi doctoral al grup del professor Fernando Albericio, sota la supervisió de la doctora Mercedes Álvarez. L’objectiu final de la seva tesi és la síntesi i validació estructural d’uns interessants productes naturals: les formidolides B i C. Com a resultat d’aquest treball, ha publicat quatre articles científics que descriuen els avenços aconseguits en la síntesi d’aquestes molècules.

Fernando Albericio Palomera és catedràtic de la Universitat de Barcelona. La seva trajectòria científica ha estat lligada a la síntesi de pèptids, a la síntesi en fase sòlida, a la metodologia de química combinatòria i a la síntesi de molècules o productes naturals amb interessants aplicacions terapèutiques.

Mercedes Álvarez és catedràtica de la Universitat de Barcelona. Els seus interessos són la síntesi de productes naturals i de molècules bioactives d’estructura poliheterocíclica, la química combinatòria, la preparació d’anàlegs de productes naturals per incrementar l’activitat biològica o la biodisponibilitat i la química heterocíclica.

48

Revista Quimica 15.indd 48

14/12/2016 10:31:09

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 15 (2016), p. 49-56 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 DOI: 10.2436/20.2003.01.74 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

A new class of purely inorganic ligands: carboranylphosphinic acids Una nova classe de lligands purament inorgànics: els àcids carboranilfosfínics Elena Oleshkevich, Francesc Teixidor and Clara Viñas Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC)

Abstract: Dicarba-closo-dodecaboranes (or carboranes) are icosahedral clusters of empirical formula C2B10H12. Depending on the relative position of the carbon atoms in the cluster, three isomers can be distinguished: ortho- (1,2), meta- (1,7) and para- (1,12). Our group focused this research on the first two: ortho- and meta-carborane isomers. The high symmetry, remarkable stability and versatile reactivity of these clusters allow their functionalization according to a desired application.

Our group and others were interested in carboranylphosphorus compounds, mostly due to their properties as ligands for organometallic chemistry and enantioselective catalysis. Among them are carboranylphosphines and carboranylphosphines with P(V) moieties, except carboranyl phosphinates and carboranyl phosphonates. Few studies are found in the literature on carboranyl phosphinic and phosphonic acids. Our research goal has been devoted to developing preparation and characterization of carboranyl phosphinates, aiming towards the designing of purely inorganic ligands that are capable to coordinate to metals producing stable water-soluble polynuclear systems. The influence of the boron cluster on the reactivity of the phosphinate group was studied as well.

Keywords: Carboranes, phosphinates, phosphonates.

Resum: Els dicarba-closo-carborans (o carborans) són poliedres icosaèdrics de fórmula empírica C2B10H12. Depenent de la posició dels dos àtoms de carboni en els diferents vèrtexs del clúster, podem tenir tres isòmers diferents: orto- (1,2–C2B10H12 ), meta- (1,7–C2B10H12 ) i para- (1,12–C2B10H12 ). Aquests clústers són molt estables i mostren una gran simetria i una capacitat de ser substituïts, sigui als vèrtexs de carboni, als de bor o a ambdós, de manera que s’obtenen així diferents clústers funcionalitzats per emprar-los en l’aplicació desitjada. El grup de recerca té una llarga experiència en la síntesi de lligands tipus fosfina que contenen el clúster de carborà que van emprar-se en la preparació de complexos de metalls de transició per usar-los en catàlisi homogènia. L’oxidació d’aquestes fosfines, de P(III) a P(V), és difícil, cal forçar-la. Aquesta és una propietat important de cara a la seva aplicació com a catalitzadors. Pocs exemples es troben a la literatura sobre àcids fosfònics i fosfínics que continguin clústers de carborà. En aquest treball, s’han sintetitzat i caracteritzat àcids fosfònics i fosfínics de clústers icosaèdrics de carborà fent servir com a reactius de partida els isòmers orto- i meta- del closo-carborà. S’ha estudiat la capacitat coordinant d’aquestes noves famílies de lligands que són purament inorgànics amb metalls amb l’objectiu d’obtenir complexos de coordinació polimèrics solubles en aigua. La influència dels clústers de bor en la reactivitat dels lligands també s’ha estudiat.

Paraules clau: Carborans, àcid fosfònic, àcid fosfínic.

Introduction

I

n the periodic table of elements, boron lies next to carbon. Both boron and carbon have the property of catenating. Carbon forms cycles and polymers and is the base of organic chemistry. Boron forms clusters and induces a huge discipline of chemistry: Boron science. Boranes, boron clusters and, in particular, icosahedral dicarba-closo-dodecaboranes with empirical formula C2B10H12 are of special interest. Boron clusters were considered as electron deficient compounds till Lipscomb’s Contact address: Clara Viñas Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC) Campus de la UAB, Bellaterra. 08193 Cerdanyola del Vallès Tel.: +34 935 801 853. Fax: +34 935 805 729 E-mail: clara@icmab.es

Revista Quimica 15.indd 49

discovery. William N. Lipscomb was awarded with the Nobel Prize in Chemistry 1976 “for his studies on the structure of boranes illuminating problems of chemical bonding”. Lipscomb proposed the mechanism to understand the threecenter two-electron (3c-2e) bond in boron clusters [1]. In 3c-2e, a pair of electrons is shared between three atoms. The three atoms can be a boron atom at either end and a hydrogen atom in the middle, as in the case of the diborane B–H–B bonds, or the three atoms, can be three boron atoms, as in the polyhedral clusters. 3D aromaticity of boron or carborane clusters gives them unique properties that are not common in organic chemistry [2].

A relation between hydrocarbon and borohydride chemistries has been recently reported [3]. The idea is based on keeping

49

14/12/2016 10:31:09

Figure 1. The three isomers of icosahedral dicarba-closo-dodecarboranes (C2B10H12).

the same number of valence electrons in a confined space.

Thus, the «addition» of an extra electron to each boron atom in borohydrides yields molecular analogues of hydrocarbons.

As a result, for any given hydrocarbon in organic chemistry, its borohydride analogue can be found in boron chemistry.

Along this line, work was recently reported that establishes a direct connection between Wade-Mingos rule of tridimensional aromatic closo boron hydride clusters and Hückel’s rule of planar aromatic annulenes, showing that they share a common origin regulated by the number of valence electrons in an electronic confined space [4].

Chemical reactivity of orthoand meta-carboranes: electrophilic substitutions on ortho- and meta-carboranes Although ortho- and meta-carborane clusters are remarkably stable, in certain reaction conditions they exhibit high synthetic reactivity. From the point of view of electrophilic sub-

50

stitution at the Cc–H vertices (Cc: carbon atom belonging to carborane cluster), both isomers display similar chemical reactivity. In both carborane isomers the hydrogen atoms of the Cc–H units are more acidic than the ones bonded to B–H vertices, due to the more electronegative character of carbon with respect to boron (2.5 and 2.0, respectively, according to the Pauling scale). Thus, hydrogen atoms attached to carbon can be considered acidic while those bonded to boron are considered hydride. The acidity of the Cc–H vertices decreases in the order of ortho-, meta- and para-carborane. Its vulnerability to become deprotonated decreases in the same order.

This relatively acidic character of Cc–H units allows their deprotonation by strong alkali and alkaline earth metal bases, like for example n-butyllithium or Grignard reagents. The generated negative charge on the carbon atom of the cluster, Cc, attracts electrophilic reagents, opening the way to the introduction of functional groups at the Cc position of the cluster.

Figure 2 shows the two possible pathways for substitutions at one or both of the Cc atoms. After dilithiation of the carborane cluster (bottom pathway) it is possible to introduce simultaneously twice the same substituent, which leads to symmetrically substituted carborane. The other pathway (top) demonstrates monosubstitution of the carborane cluster or unsymmetrical disubstitution. The synthesis of monosubstituted carborane derivatives is more complicated compared to the sythesis of disubstituted carborane derivatives. The reason is the disproportionation of Li[1,2–C2B10H11] into Li2[1,2–C2B10H10] and 1,2–C2B10H12, as it was found for ortho-carborane [5]. Several approaches have been developed to overcome this problem. They include the use of protection/deprotection methodol-

Figure 2. Deprotonation reaction of Cc–H units followed by substitution with electrophilic agents.

Revista Quimica 15.indd 50

14/12/2016 10:31:10

ogies with dimethoxyethane as the solvent or by doing the reaction at high dilution [6]. Perhaps a simpler method is performing the monosubstitution reactions in ethereal solvents at low temperature and specific carborane concentration. It was suggested that, depending on the type of electrophile, it is possible to find a combination of conditions (ethereal solvent, temperature, carborane concentration) that facilitates the largest degree of monosubstitution [7].

Phosphorus-substituted carboranes and carboranyl phosphinic acids Substituting conventional organic entities by boron clusters to produce new compounds could deliver remarkable properties such as high rigidity and space occupancy. Carboranylphosphines is one example [8]. Phosphines are prominent ligands in coordination chemistry. By changing groups bonded to phosphorus, the steric and electronic effects are modified, so it is possible to «tailor» properties of the phosphines as ligands.

Our group and others were interested in the exploration of the properties of phosphinate ligands synthesized on the ortho-carborane platform [8], including P(III) and P(V) derivatives of ortho-carboranylphoshines [9]. The first derivatives

Figure 3. Phosphorus-substituted closo-carboranes.

Revista Quimica 15.indd 51

that contain pentavalent phosphorus, phosphinic acids of ortho- and meta-carboranes were synthesized many years ago [10]. However, neither their characterization nor reproducible procedures of their synthesis were available. As a consequence, their coordination chemistry still remained unexplored till recently [11]. A representative drawing of the carboranyl phosphines, carboranyl phosphine oxides, carboranyl phosphinates and carboranyl phosphonates is shown in Figure 3.

Synthetic pathway of carboranyl phosphinic acids As previously mentioned, due to the acidic character of Cc–H vertices of the cluster, they can be deprotonated with strong bases and then functionalized by means of electrophilic reagents. In our case, the deprotonation of the meta-carborane clusters 1-2 by n-BuLi followed by reaction with ClP(NMe2)2 gave closo-carboranyldiaminophosphine derivatives 3-4. The reaction of compounds 3-4 with dry HCl gas in benzene gives closo-carboranyldichlorophosphines 5-6 that can be further hydrolyzed to the corresponding phosphinic acids 7-8 in aqueous solution at room temperature. The general reaction is given in Scheme 1.

Compounds 3-10 were characterized by multinuclear NMR and FT-IR spectroscopic techniques, mass spectrometry and elemental analysis. Table 1 shows the 31P chemical shifts of

51

14/12/2016 10:31:11

Scheme 1. Synthesis of closo-carboranylphosphinic acids.

these phosphorus compounds derived from ortho- and meta-carborane, which appear in the region between δ +162.20/ +14.66 ppm. The 31P resonances in all ortho-carborane derivatives appear at higher frequency compared with those of the meta-carborane derivatives. From Table 1, it is clear when comparing the two cluster isomers that the difference in Table 1.

the 31P chemical shift is the same: entries 1 and 2, entries 4 and 5 or entries 7 and 8. These experimental data display that a P(V) atom bonded to a meta-carboranyl cluster is more deshielded than if it is bonded to a ortho-carboranyl one; the difference being 6.45, 6.82 and 3.70 ppm, respectively. The same trend is observed in the anionic sodium salts, entries 10

P NMR chemical shifts (in ppm) for intermediates and products

31

Compound

Solvent

δ (31P), ppm (J, MHz)

1

1–CH3–2–P(NMe2)2–1,2–closo–C2B10H10

CDCl3

99.32

2

1–CH3–7–P(NMe2)2–1,7–closo–C2B10H10

CDCl3

105.77

3

1–P(NMe2)2–1,7–closo–C2B10H11

CDCl3

105.65

4

1–CH3–2–PCl2–1,2–closo–C2B10H10

CDCl3

155.38

5

1–CH3–7–PCl2–1,7–closo–C2B10H10

CDCl3

162.20

6

1–PCl2–1,7–closo–C2B10H11

CDCl3

162.09

7

1–CH3–2–OPH(OH)–1,2–closo–C2B10H10

CDCl3

17.08 (640)

8

1–CH3–7–OPH(OH)–1,7–closo–C2B10H10

CDCl3

20.78 (633)

9

1–OPH(OH)–1,7–closo–C2B10H11

CDCl3

21.06 (635)

10

[Na·(H2O)4][1–CH3–2–OPH(O)–1,2–closo–C2B10H10]

D2O

9.21 (449)

Entry

D2O 11

[Na][1–CH3–7–OPH(O)–1,7–closo–C2B10H10] H2O

52

Revista Quimica 15.indd 52

12

[Na][1–OPH(O)–1,7–closo–C2B10H11]

D2O

Δδ (31P), ppm

+6.45

−0.12

+6.82

−0.11

+3.70

+0.28

14.63 (t, (1J(P, D) = 89) 14.65 (d, 1J(P, H) = 589)

+5.42

+0.01

14.66 (d, 1J(P, H) = 583)

14/12/2016 10:31:12

Figure 5. Tautomeric equilibrium between phosphinic and phosphonous acid isomers.

Good crystals of sodium salt of meta-carboranylphosphinic acid 10 (Figure 4) suitable for X-ray diffraction were grown from iPrOH/water solution, fully confirming its molecular structure.

Figure 4. Molecular structure of [Na2][1–OPH(O)–1,7–closo–C2B10H10]2CH(OH)(CH3)2.

and 11. It is also important to note when comparing entries 2 and 3, entries 5 and 6 or entries 8 and 9 on Table 1 that there is no influence on the nature of the R group (R = Me, H) bonded to the second Cc, the difference being 0.11 ppm in all cases. There is no difference in the chemical shifts for the sodium salts, entries 11 and 12.

Closo-carboranylphosphinic acids, compounds 7-9, displayed a singlet around 17 ppm (for ortho-isomer) and 21 ppm (for meta-isomer) on 31P{1H} NMR spectrum that turns to a doublet in the 31P NMR spectrum with coupling constant in the range of 1J(P, H) = 635 Hz, indicating the presence of a P–H bond in the compounds.

Isotopic exchange with deuterium and tautomerization It is well known that pentavalent phosphinic acid derivatives R(O)PH(OH) are involved in the tautomerization process with the corresponding trivalent phosphonous acid form RP(OH)2 [12].

This tautomeric equilibrium (Figure 5) is completely shifted to P(V) tautomer, so free phosphonous acid normally cannot be detected by spectroscopic methods.

It was suggested that phosphorus-bonded hydrogen of phenylphosphinic acid undergoes isotopic exchange with deuterium from the deuterated solvent due to the presence of tautomeric equilibrium [13]. The compounds 1–OPH(OH)–1,7–

Figure 6. P–H/P–D exchange in D2O observed by 31P NMR spectra for Na[1–Me–7–OPH(O)–1,7–C2B10H10].

Revista Quimica 15.indd 53

53

14/12/2016 10:31:13

Figure 7. Meta-carboranylphosphinic acid and the corresponding conjugate base (phosphinate).

C2B10H11 (8), Na[1–Me–7–OPH(O)–1,7–C2B10H10] (9), and Na[1–OPH(O)–1,7–C2B10H11] (10) display the same isotopic exchange.

To know the influence of the meta-carboranyl ligand, the kinetics of this acid-base isotopic exchange reaction between the hydrogen atom bound to phosphorus and deuterium from the D2O solvent, was studied by means of 31P{1H} and 31 P NMR spectra for the compounds 8-10 (Figure 6).

A point to note is that the 31P and 31P{1H} NMR spectra of 9 in D2O after 3.5 h exhibit a triplet (1:1:1) at d = 14.63 ppm with a 1J(P, D) of 89 Hz as a result of the completed isotopic exchange, whereas no exchange was observed for 10 after 2 days in D2O. The phosphinic acid form of 1–OPH(OH)–1,7– C2B10H11 disappears under isotopic exchange but the reaction is not as fast as in the case of Na[1–Me–7–OPH(O)–1,7– C2B10H11]. After 48 h in D2O, a triplet (1:1:1) at d = 12.96 ppm with a 1J(P, D) of 87 Hz was observed.

In a similar way as carboxylic acids, pKa values of phosphinic acids depend on the backbone molecule and the presence of other functional groups. We compared acid strengths of different carboranylphosphinic acids and their organic analogue phenylphosphinic acid. To our surprise, meta-carborane enhances the acidity of corresponding phosphinic acid compared to ortho-carborane and phenyl group (Figure 8). Also the presence of CH3 group on the other Cc decreases the acidity of the corresponding carboranylphosphinic acid.

Conclusions This work has shown that, in a manner similar to organic phosphinates, purely inorganic carboranyl phosphinates can be prepared in very good to excellent yields. Carboranylphosphinic acids have been prepared with both isomers, orthoand meta-carborane. The hydrogen in the H–P unit of the carboranylphosphinate has been easily exchanged by D from the deuterated NMR solvent, although rate differences have been noticed depending on the adjacent carborane carbon substituent and the salt or acid form utilized. The carborane influence has been observed in the pKa of the phosphinate, which is more negative for the meta-carboranyl than for the «comparable» phenyl and ortho-carborane. It is expected that these enhanced electronic properties will be accompanied by others derived from the hydrophobicity and space-filling efficiency of the carboranyl fragment, making the physicochemical properties of the generated metal complexes attractive for applications in medicine or in materials science.

Acidity, pKa comparison Phosphinic acids possess one acidic P–OH group; the acidity of organophosphinic acids varies in the range of 1.3-2.5 pKa.

54

Revista Quimica 15.indd 54

Figure 8. pKa values of ortho-, meta-carboranylphosphinic acids and phenylphosphinic acid.

14/12/2016 10:31:14

Acknowledgements The authors thank the Generalitat de Catalunya (2014/ SGR/149), the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (CTQ2013-44670-R) and the European Union (COST1302) for their financial support. E. Oleshkevich is enrolled in the PhD program of the UAB. E. Oleshkevich thanks the MICINN for an FPU pre-doctoral grant.

References [1] Eberhardt, W. H.; Crawford, B.; Lipscomb, W. N. “The valence structure of the boron hydrides”. J. Chem. Phys., No. 22 (1954), p. 989-1001.

[2] a) Teixidor, F.; Viñas, C.; Demonceau, A.; Núñez, R. “Boron clusters: do they receive the deserved interest?”. Pure App. Chem., No. 75 (2003), p. 1305-1313. b) Scholz, M.; HeyHawkins, E. “Carbaboranes as pharmacophores: properties, synthesis, and application strategies”. Chem. Rev., No. 111 (2011), p. 7035-7062.

[3] a) Poater, J.; Solà, M.; Viñas, C.; Teixidor, F. “A simple link between hydrocarbon and borohydride chemistries”. Chem.

Eur. J., No. 19 (2013), p. 4169-4175. b) Poater, J.; Solà, M.; Viñas, C.; Teixidor, F. “π aromaticity and three-dimensional aromaticity: two sides of the same coin?”. Angew. Chem. Int. Ed., No. 53 (2014), p. 12191-12195.

[4] Poater, J.; Solà, M.; Viñas, C.; Teixidor, F. “Hückel’s rule of aromaticity categorizes aromatic closo boron hydride clusters”. Chem. Eur. J. (2016). DOI: 10.1002/chem.201600510.

[5] Grimes, R. N. Carboranes. 2nd ed. Burlington: Academic Press, 2011.

[6] a) Gómez, F. A.; Hawthorne, M. F. “A simple route to Cmonosubstituted carborane derivatives”. J. Org. Chem., No. 57 (1992), p. 1384-1390. b) Viñas, C.; Benakki, R.; Teixidor, F.;

Cassabó, J. “Dimethoxyethane as a solvent for the synthesis of C-monosubstituted o-carborane derivatives”. Inorg. Chem., No. 34 (1995), p. 3844. c) Valliant, J. F.; Guenther, K. J.; King, A. S.; Morel, P.; Schaffer, P.; Sogbein, O. O.; Stephenson, K. A. “The medicinal chemistry of carboranes”. Coord. Chem. Rev., No. 232 (2002), p. 173.

[7] Popescu, A. R.; Musteti, A. D.; Ferrer-Ugalde, A.; Viñas, C.; Núñez, R.; Teixidor, F. “Influential role of ethereal solvent on organolithium compounds: the case of carboranyllithium”.

Chem. Eur. J., No. 18 (2012), p. 3174-3184.

[8] Popescu, A. R.; Teixidor, F.; Viñas, C. “Metal promoted charge and hapticities of phosphines: the uniqueness of carboranylphosphines”. Coord. Chem. Rev., No. 269 (2014), p. 54-84 and cited references.

[9] Popescu, R.; Laromaine, A.; Teixidor, F.; Sillanpää, R.; Kivekäs, R.; Llambias, J. I.; Viñas, C. “Uncommon coordination behaviour of P(S) and P(Se) units when bonded to carboranyl clusters: experimental and computational studies on the oxidation of carboranyl phosphine ligands”. Chem. Eur. J., No. 17 (2011), p. 4429-4443.

[10] a) Zakharkin, L. I.; Kazantsev, A. V.; Zhubekova, M. N. Izv. Akad. Nauk SSSR, Ser. Khim., No. 9 (1969), p. 2056-2057. b) Kazantsev, A. V.; Zhubekova, M. N.; Zakharkin, L. I. Zh. Obshch.

Khim., No. 42 (1971), p. 1570-1571.

[11] Oleshkevich, E.; Teixidor, F.; Choquesillo-Lazarte, D.; Sillanpää, R.; Viñas, C. “Carboranylphosphinic acids: a new class of purely inorganic ligands”. Chem. Eur. J., No. 11 (2016), p. 3665-3670.

[12] a) Martin, R. B. “The rate of exchange of the phosphorus bonded hydrogen in phosphorous acid”. J. Am. Chem. Soc., No. 81 (1959), p. 1574-1576. b) Silver, R. B.; Luz, Z. “Oxidation of phosphorous acid”. J. Phys. Chem., No. 66 (1962), p. 13561359.

[13] Reuben, J.; Samuel, D.; Silver, B. L. “Deuterium exchange between phenylphosphonous acid and water”. J. Am. Chem.

Soc., No. 85 (1963), p. 3093-3096.

55

Revista Quimica 15.indd 55

14/12/2016 10:31:15

E. Oleshkevich

F. Teixidor

C. Viñas

Elena Oleshkevich is a graduate in Chemical Technology of Biologically Active Synthetic Substances (2011) at the D. I. Mendeleev University of Chemical Technologies of Russia (Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева). She is now preparing her doctoral thesis under the direction of Prof. Clara Viñas at the Institute of Materials Science of Barcelona (ICMAB-CSIC). The subject of her thesis is the synthesis of carboranyl phosphinic acids for use as purely inorganic ligands and the study of the properties of their metallic complexes for their possible application in medicine and in materials science.

Francesc Teixidor graduated in Chemistry at the Autonomous University of Barcelona (UAB) in 1975 and took his doctorate there in 1979. Then he did a post-doctoral fellowship at the University of Michigan with Prof. Ralph W. Rudolph for two and half years. Back in Barcelona, he joined the UAB as lecturer in Chemistry. In 1987 he won a place as scientific researcher of the Higher Council of Scientific Research (CSIC) at the Institute of Materials Science of Barcelona and he has been a research professor there since 1999. He has directed 25 doctoral theses and 24 research projects, and he has published over 350 scientific papers in SCI journals, 24 book chapters and one encyclopedia chapter, among other scientific contributions.

His field of research is inorganic chemistry, with a special focus on the formation of B–C and B–P bonds and the application of boron clusters as molecular materials for energy production.

Clara Viñas is a graduate in Chemistry at the Autonomous University of Barcelona (UAB, 1975) and in Pharmacy at the University of Barcelona (UB, 1980). She began her research work at the laboratories of Prof. Ralph W. Rudolph at the University of Michigan for one year. On returning to Barcelona, she worked in industry and subsequently won a place at the Municipal Laboratory of Sabadell, where she came to be the director. She took a PhD in Pharmacy at the University of Barcelona in 1991. In 1992 she won a place as tenured scientist of the Higher Council of Scientific Research (CSIC) at the Institute of Materials Science of Barcelona. There she was promoted to the category of scientific researcher in 2002 and she has been a research professor at this institution since 2006. Over the course of her scientific career she has directed 11 doctoral theses and 12 research projects, and she has published over 295 scientific papers in SCI journals, 17 book chapters and one encyclopedia chapter, among other contributions. Her research is based on the synthesis of boron compounds, carboranes and metallacarboranes for use in advanced medical applications.

56

Revista Quimica 15.indd 56

14/12/2016 10:31:15

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 15 (2016), p. 57-63 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 DOI: 10.2436/20.2003.01.75 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

La química computacional aplicada al disseny de marcadors fluorescents per a la diagnosi de la malaltia d’Alzheimer Computational chemistry applied to the design of fluorescent markers for the diagnosis of Alzheimer’s disease Francesca Peccati, Xavier Solans Monfort i Mariona Sodupe Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Química

Resum: La malaltia d’Alzheimer suposa un dels reptes més importants de la medicina actual. S’espera que l’any 2050 el nombre de pacients amb aquesta malaltia neurodegenerativa superi els cent milions de persones, de manera que es convertirà en un problema insostenible per als sistemes de salut en l’àmbit mundial. La complexitat d’aquesta malaltia requereix un enfocament multidisciplinari que combini l’estudi dels aspectes patològics amb els processos que tenen lloc en l’àmbit molecular. En aquest context, la química computacional és una eina d’una importància fonamental per al disseny de molècules amb objectiu tant per al diagnòstic com per al tractament de la malaltia d’Alzheimer.

Paraules clau: Malaltia d’Alzheimer, química computacional, marcadors fluorescents.

Abstract: Alzheimer’s disease is one of the main medical challenges of our time. It is expected that by 2050 the number of patients suffering from this neurodegenerative disease will exceed 100 million, becoming an unsustainable burden for healthcare systems worldwide. The complexity of this condition requires a multidisciplinary approach, combining the study of pathological aspects with processes happening at the molecular level. In this light, computational chemistry is a tool of extreme importance for the design of molecules aimed at diagnosing as well as curing Alzheimer’s disease.

Keywords: Alzheimer’s disease, computational chemistry, fluorescent markers.

Introducció

L

a malaltia d’Alzheimer presenta símptomes devastadors, incloent-hi la pèrdua de memòria i cognició, així com al·lucinacions. Des d’un punt de vista anatomicopatològic, s’observa atròfia cerebral progressiva. A nivell microscòpic, es produeix una deposició de plaques i cabdells neurofibril·lars que bloquegen la comunicació entre les cèl·lules nervioses i destrueixen el sistema de transport de nutrients, la qual cosa en causa la mort. En l’àmbit molecular, les plaques estan constituïdes per agregats insolubles del pèptid β-amiloide. Malgrat que la funció d’aquest pèptid encara no està del tot clara, se sap que en condicions fisiològiques participa en processos enzimàtics i en la protecció contra l’estrès oxidatiu. En pacients que pateixen la malaltia d’Alzheimer, però, es produeix una acumulació de β-amiloide a causa d’un desequilibri entre la producció i l’eliminació d’aquest pèptid.

El β-amiloide conté entre 40 i 42 aminoàcids, és lleugerament soluble i forma espontàniament agregats regulars anomenats fibres amiloides, les quals poden presentar diferents arquitec-

Correspondència: Francesca Peccati Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Química Campus de la UAB, Bellaterra. 18193 Cerdanyola del Vallès Tel.: +34 935 812 173. Fax: +34 935 812 920 A/e: francesca.peccati@uab.cat

Revista Quimica 15.indd 57

tures. Atès que la quantitat i la distribució d’aquests agregats en el cervell es correlaciona estretament amb símptomes neurològics, és crucial poder detectar aquestes espècies en pacients vius per tal de seguir el desenvolupament de la malaltia i provar l’eficàcia de nous fàrmacs [1-5].

Des d’un punt de vista clínic, la tècnica més usada per a la detecció d’aquests agregats és la tomografia per emissió de positrons (PET). Els inconvenients d’aquest mètode són la seva toxicitat, atès que usa traçadors radioactius, i l’alt cost pel que fa a la instrumentació necessària i l’obtenció de dades.

Per aquest motiu, actualment s’estan desenvolupant altres tècniques, amb una toxicitat i un cost més baixos, que podrien ser emprades eficientment en l’àmbit clínic en un futur.

Una tècnica amb un bon potencial en aquests termes és la imatge per fluorescència, la qual utilitza molècules orgàniques petites, no tòxiques, capaces d’absorbir radiació infraroja. Aquests marcadors s’uneixen selectivament a les fibres amiloides i retornen un senyal de fluorescència després d’excitar-los amb llum infraroja, que és diferent si estan interaccionant amb les fibres o no. Recollint el senyal, és possible reconstruir la quantitat i la distribució de les fibres a la zona analitzada [6-8].

Tot i que encara calen nous avenços perquè aquesta tècnica pugui ser usada en estudis clínics, en els últims deu anys s’han

57

14/12/2016 10:31:15

fet molts avenços en aquesta direcció i s’han proposat diverses molècules amb diferents propietats de fluorescència per detectar fibres amiloides [6, 9-11]. En molts casos, però, es desconeix com actuen aquestes molècules i quins factors les fan més o menys idònies. En aquest context, la química computacional és una eina molt poderosa no només per explicar els mecanismes que controlen l’acció d’aquestes molècules, sinó també per dirigir el disseny de nous fàrmacs optimitzant-ne el rendiment biològic i fotofísic.

Requisits dels marcadors fluorescents per al seu ús in vivo El disseny de molècules per a la generació d’imatges de fluorescència es basa en una sèrie de requisits estructurals estrictes. En primer lloc, els marcadors han de ser capaços de creuar la barrera hematoencefàlica. També cal que els marcadors emetin a la regió de l’infraroig proper, és a dir, a una longitud d’ona superior a 650 nm, per tal de disminuir els danys i l’autofluorescència de fons del material biològic. D’altra banda, és important fer èmfasi en el fet que les propietats fotofísiques del marcador han de ser fortament modificades per la seva interacció amb els dipòsits de β-amiloide, ja que és la marcada diferència entre les propietats de fluorescència de la molècula lliure i unida a la fibra el principi fonamental per a l’obtenció d’imatges de fluorescència [6]. És a dir, convé que, quan la molècula estigui lliure, emeti un senyal de fluorescència molt

58

més feble que quan està interaccionant amb la fibra amiloide, ja que això permetrà obtenir un bon contrast en la imatge. El punt interessant és que aquesta diferència no sempre té el mateix origen i, de fet, pot ser molt diferent per a cada classe de marcador. En aquest sentit, la comprensió dels diversos mecanismes responsables de l’augment de la fluorescència causada per la interacció amb les fibres és crucial per al desenvolupament de noves molècules més eficaces i d’acció específica.

A més a més, per permetre la detecció selectiva dels dipòsits d’amiloide i no de qualsevol proteïna present en el medi biològic, els marcadors han de ser selectius, és a dir, han de presentar una alta afinitat per la fibra. La selectivitat s’obté per l’elecció d’una estructura lineal aromàtica com la de les molècules que es mostren a la figura 1. El caràcter hidrofòbic de la fibra amiloide promou la interacció amb els anells aromàtics, i l’estructura lineal permet la interacció amb més filaments de la mateixa fibra [6].

Aspectes estructurals de les fibres amiloides Actualment són conegudes diverses estructures de fibres amiloides, i, tot i tenir diferents simetries, totes conserven alguns aspectes estructurals comuns, tal com s’il·lustra a la figura 2. La unitat fonamental de la fibra amiloide és el proto-

Figura 1. Marcadors fluorescents per a la detecció de fibres amiloides. El comportament fotofísic desitjat es mostra a la part esquerra de la imatge: si la molècula no interacciona amb la fibra, té una emissió de fluorescència modesta (línia de traços), mentre que si està enllaçada, té una emissió intensa (línia contínua).

Revista Quimica 15.indd 58

14/12/2016 10:31:16

Figura 2. Estructura d’una fibra amiloide que consisteix en dos protofilaments. S’indiquen els residus d’aminoàcids que contribueixen a la formació d’un canal paral·lel hidrofòbic a l’eix de la fibra.

filament, el qual consisteix en una repetició regular de pèptids individuals en forma de fulles β. L’estructura completa de la fibra sorgeix de la interacció de dos o tres protofilaments per generar una arquitectura amb simetria binària (amb un eix de simetria C2) o ternària (amb un eix de simetria C3) [3, 12-14]. A la figura 2 s’il·lustra l’exemple d’una fibra amb un eix de simetria binari, en la qual es mostra una important característica estructural: la unió de protofilaments, les cadenes laterals hidrofòbiques de les làmines β estan disposades per definir un canal central, paral·lel a l’eix de la fibra (residus de color groc), que pot allotjar molècules amb una estructura lineal com els marcadors mostrats a la figura 1. En general, totes les fibres amiloides contenen aquests canals, que són responsables de la interacció amb la molècula fluorescent [6].

En aquest treball es presentaran els resultats de dues de les

Revista Quimica 15.indd 59

classes de compostos il·lustrats a la figura 1: els derivats del bitiofè, representats pel marcador NIAD-4 [6, 15], i els marcadors push-pull, representats per la molècula DANIR-2c [11, 16].

L’enfocament computacional L’estudi de les propietats fotofísiques de molècules orgàniques i la seva interacció amb fibres amiloides requereix la combinació de diverses tècniques computacionals. Per estudiar les propietats fotofísiques d’un marcador, cal descriure els seus estats excitats i els mecanismes de desactivació i, per tant, cal usar mètodes basats en la mecànica quàntica.

Aquests mètodes, però, no poden ser usats per descriure els

59

14/12/2016 10:31:17

sistemes bioquímics, en aquest cas, les fibres amiloides, atès que tenen un gran nombre d’àtoms (entre 6.000 i 40.000) i això suposaria un cost computacional extremament elevat.

Per aquesta raó, aquests sistemes s’estudien amb tècniques més aproximades, com ara la mecànica molecular, que reprodueix amb una raonable precisió les propietats estructurals en l’àmbit atòmic, sense tractar-ne explícitament la distribució electrònica. Aquestes tècniques ens donen informació sobre com interacciona el marcador amb les fibres amiloides i els canvis induïts en la seva flexibilitat, la qual cosa pot modificar en gran manera les seves propietats fluorescents.

Propietats fotofísiques dels marcadors amb interacció i sense interacció amb fibres amiloides Els marcadors NIAD-4 i DANIR-2c, que es mostren a la figura 3, tenen dues coses en comú: 1) tots dos tenen un sistema d’electrons π deslocalitzats, i 2) aquest sistema π connecta dos grups amb efecte inductiu oposat, un donador (−OH o −N(CH3)2) i un acceptor (=C(CN)2). Aquestes dues característiques són importants, perquè determinen les propietats fotofísiques de la molècula. En particular, els càlculs quàntics rea-

60

litzats han mostrat que, per als dos marcadors, les transicions electròniques actives són de transferència de càrrega, és a dir, són transicions que impliquen una transferència de densitat d’electrons des del grup donador fins al grup acceptor de la molècula. Aquesta transició és intensa i és la responsable de l’emissió de la fluorescència observada quan el marcador interacciona amb les fibres amiloides.

En el cas del NIAD-4, quan la molècula està lliure, sense interactuar amb la fibra, no presenta cap fluorescència. Es podria pensar que això és degut al fet que, en dissolució, el NIAD-4 retorna al seu estat electrònic fonamental a través d’un procés no radiatiu que està impedit quan aquest interacciona amb la fibra. Tanmateix, un estudi detallat sobre els possibles mecanismes de desactivació no radiativa d’aquesta molècula ha mostrat que això no és degut ni a la presència d’un encreuament entre sistemes (intersystem crossing), ni al fet que es comporti com un rotor, com en el cas de la tioflavina. Per tant, l’absència de fluorescència en dissolució ha de ser deguda a altres factors. De fet, la raó per la qual el NIAD-4 no mostra fluorescència en dissolució és que aquesta molècula no és gaire soluble en solució aquosa i forma agregats apilats de tipus π en concentracions molt petites. Les nostres simulacions mostren que aquests agregats no donen emissió de fluorescència (quenching) a causa de la formació de dímers.

Figura 3. Excitació i processos de relaxació del NIAD-4 i el DANIR-2c.

Revista Quimica 15.indd 60

14/12/2016 10:31:18

La interacció amb la fibra causa la recuperació de les propietats fluorescents d’aquesta molècula, ja que implica la destrucció dels agregats. De fet, les simulacions computacionals realitzades mostren que els canals hidrofòbics, paral·lels a l’eix de la fibra, tenen les dimensions adequades per allotjar només una molècula de marcador, i no dímers o agregats de dimensions més grans. D’aquesta manera, la interacció amb els canals hidrofòbics provoca la desagregació del marcador, que en la seva forma monomèrica presenta fluorescència amb un bon rendiment quàntic. Així, doncs, aquesta desagregació explicaria l’augment de la fluorescència observada per al NIAD-4 en presència de fibres de β-amiloide [15]. Sobre la base d’aquest mecanisme d’agregació-desagregació es pot pensar en el disseny de nous marcadors amb un rendiment millor, per exemple, mitjançant l’ampliació del sistema π. Una tal extensió causaria un augment de la fluorescència de la molècula aïllada i, al mateix temps, també augmentaríem la propensió a l’agregació, la qual cosa permetria augmentar el contrast entre el marcador lliure i l’unit i, per tant, millorar la imatge de fluorescència.

En el cas del DANIR-2c, l’augment de fluorescència observat en presència de fibres amiloides té un origen diferent. De fet, la molècula lliure és menys propensa a l’agregació que el NIAD-4 i, després de l’excitació, pot decaure a l’estat fonamental per emissió de fluorescència, fins i tot sense interaccionar amb la fibra. No obstant això, la molècula presenta un camí important de desactivació no radiativa a través d’interseccions còniques.

S’ha calculat que hi ha geometries per a les quals l’estat de transferència de càrrega i l’estat fonamental estan degenerats.

Aquestes geometries corresponen a rotacions de 90° al voltant dels dobles enllaços del sistema π i són accessibles a través de la simple torsió dictada per la flexibilitat de la molècula en solució. Quan el marcador és a l’interior de la fibra amiloide en el canal hidrofòbic, la seva flexibilitat es redueix a causa dels contactes estèrics amb les cadenes laterals que constitueixen el canal. Aquesta reducció en la flexibilitat força la molècula a mantenir una geometria plana, la qual cosa impedeix que la intersecció cònica sigui accessible, i això afavoreix la fluorescència. D’aquesta manera, la desactivació no radiativa es veu molt impedida i l’emissió de fluorescència es converteix en el procés dominant, la qual cosa explicaria l’augment de fluorescència observat quan el marcador està unit a les fibres amiloides [16]. També en aquest cas, les modificacions estructurals orientades a augmentar el contrast entre el marcador lliure i l’unit podrien millorar el rendiment quàntic.

Revista Quimica 15.indd 61

Conclusions Aquest treball il·lustra l’aplicació dels mètodes de la química computacional per a l’estudi d’un problema complex, com és ara el dels marcadors fluorescents per al diagnòstic de la malaltia d’Alzheimer. Diverses tècniques de càlcul contribueixen a la descripció dels estats excitats de molècules orgàniques petites i la seva interacció amb els agregats de proteïnes com ara fibres amiloides. Les nostres simulacions porten llum als camins de desactivació de dos marcadors fluorescents, el NIAD-4 i el DANIR-2c. En el primer cas, es mostra que els agregats de NIAD-4 que es formen de manera espontània en solució no emeten fluorescència, i que l’augment de fluorescència observat en presència de fibres de β-amiloide és degut al procés de desagregació induït en interaccionar amb la fibra.

En el cas del DANIR-2c, però, l’origen de l’augment de la fluorescència es deu al fet que, en interaccionar amb la fibra, es produeix una important reducció de la flexibilitat del marcador que fa inaccessibles camins de desactivació no radiativa, de manera que s’observa un augment significatiu de la fluorescència. Aquests dos exemples mostren no només com un estudi computacional és essencial per a la comprensió dels mecanismes fonamentals d’acció d’aquestes molècules bàsiques d’interès biològic, sinó també com el coneixement derivat de les simulacions pot orientar el disseny de nous marcadors d’alt rendiment.

Referències [1] LaFerla, F. M.; Green, K. N. «Animal models of Alzheimer disease». Cold. Spring Harb. Perspect. Med., núm. 2 (2012), p. 1-13.

[2] Faller, P.; Hureau, C.; Berthoumieu, O. «Role of metal ions in the self-assembly of the Alzheimer’s amyloid-β peptide».

Inorg. Chem., núm. 52 (2013), p. 12193-12206.

[3] Lu, J.; Qiang, W.; Yau, W.; Schwieters, C. D.; Meredith, S. C.; Tycko, R. «Molecular structure of β-amyloid fibrils in Alzheimer’s disease brain tissue». Cell, núm. 154 (2013), p. 1257-1268.

[4] Querfurth, H. W.; LaFerla, F. M. «Alzheimer’s disease». N. Engl.

J. Med., núm. 326 (2010), p. 329-344.

[5] Karran, E.; Mercken, M.; Strooper, B. de. «The amyloid cascade hypothesis for Alzheimer’s disease: an appraisal for the development of therapeutics». Nat. Rev. Drug Discov., núm. 10 (2011), p. 698-712.

[6] Nesterov, E. E.; Skoch, J.; Hyman, B. T.; Klunk, W. E.; Bacskai, B. J.; Swager, T. M. «In vivo optical imaging of amyloid aggre-

61

14/12/2016 10:31:18

gates in brain: design of fluorescent markers». Angew. Chemie Int. Ed., núm. 44 (2005), p. 5452-5456.

[7] Ntziachristos, V. «Fluorescence molecular imaging». Annu.

Rev., núm. 8 (2006), p. 1-33.

[8] Nordberg, A.; Rinne, J. O.; Kadir, A.; Långström, B. «The use of PET in Alzheimer disease». Nat. Rev. Neurol., núm. 6 (2010), p. 78-87.

[9] Amdursky, N.; Erez, Y.; Huppert, D. «Molecular rotors: what lies behind the high sensitivity of the thioflavin-T fluorescent marker». Acc. Chem. Res., núm. 45 (2012), p. 1548-1557.

[10] Zhang, X.; Tian, Y.; Li, Z.; Tian, X.; Sun, H.; Liu, H.; Moore, A.; Ran, C. «Design and synthesis of curcumin analogues for in vivo fluorescence imaging and inhibiting copper-induced cross-linking of amyloid beta species in Alzheimer’s disease».

J. Am. Chem. Soc., núm. 135 (2013), p. 16397-16409.

[11] Cui, M.; Ono, M.; Watanabe, H.; Kimura, H.; Liu, B.; Saji, H. «Smart near-infrared fluorescence probes with donor-acceptor structure for in vivo detection of beta-amyloid deposits».

J. Am. Chem. Soc., núm. 136 (2014), p. 3388-3394.

[12] Petkova, A. T.; Yau, W.; Tycko, R. «Experimental constraints on quaternary structure in Alzheimer’s β-amyloid fibrils».

Biochemistry, núm. 45 (2006), p. 498-512.

[13] Tycko, R. «Solid-state NMR studies of amyloid fibril structure». Annu. Rev. Phys. Chem., núm. 62 (2011), p. 279299.

[14] Lührs, T.; Ritter, C.; Adrian, M.; Riek-Loher, D.; Bohrmann, B.; Döbeli, H.; Schubert, D.; Riek, R. «3D structure of Alzheimer’s amyloid-beta[1-42] fibrils». Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., núm. 102 (2005), p. 17342-17347.

[15] Peccati, F.; Hernando, J.; Blancafort, L.; Solans Monfort, X.; Sodupe, M. «Disaggregation-induced fluorescence enhancement of NIAD-4 for the optical imaging of amyloid-β fibrils».

Phys. Chem. Chem. Phys., núm. 17 (2015), p. 19718-19725.

[16] Peccati, F.; Wis´ niewska, M.; Solans Monfort, X.; Sodupe, M. «Computational study on donor-acceptor optical markers for Alzheimer’s disease: a game of charge transfer and electron delocalization». Phys. Chem. Chem. Phys., núm. 18 (2016), p. 11634-11643.

62

Revista Quimica 15.indd 62

14/12/2016 10:31:18

F. Peccati

X. Solans Monfort

M. Sodupe

Francesca Peccati és llicenciada i màster en química per la Universitat de Torí. Actualment realitza la tesi doctoral a la Universitat Autònoma de Barcelona, sota la direcció de Mariona Sodupe i Xavier Solans Monfort. Els seus interessos científics se centren principalment en l’ús d’eines computacionals per entendre processos fotofísics d’interès biològic.

Xavier Solans Monfort és llicenciat en química per la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB). Realitzà la tesi doctoral a la mateixa universitat, sota la direcció de M. Sodupe i V. Branchadell, entre el 1998 i el 2003. Realitzà una estada postdoctoral a la Universitat de Montpeller, en el grup d’O. Eisenstein. L’any 2006 va tornar a la UAB, on treballa actualment com a professor agregat Serra Húnter. És coautor de més de quaranta articles científics i tres capítols de llibre. Els seus interessos científics se centren principalment en l’ús d’eines computacionals per entendre processos catalítics.

Mariona Sodupe va obtenir el doctorat en química a la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) l’any 1990. Posteriorment, va realitzar una estada postdoctoral (1990-1992), com a becària Fulbright, a la NASA Ames Research Center (Califòrnia), amb el professor C. W. Bauschlicher. L’any 1992 va tornar a la UAB i, des del 2008, és catedràtica d’universitat del Departament de Química. Ha estat guardonada amb la Distinció de la Generalitat de Catalunya per a la Promoció de la Investigació a la Universitat (2001) i amb el Premi ICREA Acadèmia (2011). És coautora de cent vuitanta articles en revistes internacionals en l’àmbit de la química computacional. Els seus projectes més recents se centren en: a) el disseny in silico de marcadors fluorescents de fibres amiloides; b) l’efecte de metalls amb activitat redox en malalties neurodegeneratives, i c) el paper de les superfícies de minerals en processos químics prebiòtics.

63

Revista Quimica 15.indd 63

14/12/2016 10:31:18

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 15 (2016), p. 64-71 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 DOI: 10.2436/20.2003.01.76 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Síntesi i aplicacions en catàlisi de lligands P-estereogènics: SIP, MaxPHOS, MaxPHOX Synthesis and applications in catalysis of P-stereogenic ligands: SIP, MaxPHOS, MaxPHOX Ernest Salomó,1 Antoni Riera1, 2 i Xavier Verdaguer1, 2 1 Institut de Recerca Biomèdica (IRB) de Barcelona 2 Universitat de Barcelona. Departament de Química Inorgànica i Orgànica. Secció de Química Orgànica

Resum: La catàlisi és una eina clau per a la síntesi orgànica. Malgrat els avenços freqüents, existeix encara una demanda de nous lligands i catalitzadors. Dins dels molts lligands existents, destaquen els de tipus fosfina. I dins d’aquests, trobem els que presenten fòsfors quirals. Aquests lligands tenen un gran potencial en catàlisi asimètrica, però un dels inconvenients principals es troba en la seva síntesi. En el nostre grup, hem desenvolupat síntesis eficients per a diferents sintons de fòsfor quirals i usant-los hem dissenyat diversos lligands (SIP, MaxPHOS, MaxPHOX). La coordinació a diferents metalls ha donat lloc a catalitzadors amb els quals hem pogut aconseguir excel·lents resultats en diferents reaccions catalítiques, com ara les cicloaddicions o les hidrogenacions asimètriques.

Paraules clau: Catalitzadors, lligands, P-estereogènic, hidrogenacions, SIP, MaxPHOS, MaxPHOX.

Abstract: Catalysis is an important tool for organic synthesis. Despite frequent breakthroughs, there is still a need for new ligands and catalysts. Among the numerous ligands, phosphine-type ligands stand out. And within these are the ligands bearing chirality on phosphorus, which have great potential but are challenging to synthesise. In our group we have developed an efficient synthesis for different chiral phosphorous synthons and from these, we designed several ligands (SIP, MaxPHOS, MaxPHOX). Coordination to different metals has given rise to catalysts that afford excellent results in catalytic reactions such as cycloadditions or asymmetric hydrogenations.

Keywords: Catalysts, ligands, P-stereogenic, hydrogenations, SIP, MaxPHOS, MaxPHOX.

Introducció

L

a catàlisi té una gran rellevància en el món de la química sintètica. Considerant els diferents catalitzadors coneguts, aquells basats en lligands de fòsfor han demostrat un gran potencial i són una eina clau en catàlisi. La importància dels lligands és cabdal, ja que, quan són quirals, són capaços d’induir quiralitat en els productes de les reaccions catalítiques.

64

de recerca han dedicat esforços a aquest propòsit i, tot i haver fet grans avenços, encara existeix una demanda de nous processos per a la síntesi de molècules amb fòsfor estereogènic i els corresponents lligands i catalitzadors quirals.

Antecedents

A diferència de les amines, les fosfines trivalents substituïdes amb tres grups diferents són quirals i no racemitzen a temperatura ambient [1]. Això permet que la quiralitat pugui trobar-se en l’àtom de fòsfor del lligand. Se n’ha demostrat l’eficiència en un gran ventall de reaccions, però una de les limitacions més grans és la dificultat de sintetitzar els lligands P-estereogènics amb elevades pureses òptiques. Molts grups

Durant els anys 1965-1966, Wilkinson va publicar un seguit d’hidrogenacions catalítiques homogènies d’alquens usant el complex solubilitzat de [RhCl(PPh3)3] [2]. En vista d’aquests resultats, Knowles i Horner, per separat, van substituir la fosfina aquiral del catalitzador per una de quiral (esquema 1), de manera que es van aconseguir les primeres reduccions enantioselectives i es va demostrar que era possible traslladar la informació estereoquímica del lligand al producte, si bé només amb uns excessos enantiomèrics (ee) del 15 % com a màxim [3, 4].

Correspondència: Ernest Salomó Institut de Recerca Biomèdica (IRB) de Barcelona C. de Baldiri Reixac, 10. 08028 Barcelona Tel.: +34 934 037 096. Fax: +34 934 037 095 A/e: ernest.salomo@irbbarcelona.org

Un fet clau en aquesta història va ser el descobriment de les propietats medicinals de la (L)-DOPA respecte de la malaltia de Parkinson. La gran demanda d’aquest aminoàcid el dotava d’un gran potencial econòmic i va propiciar un increment en

Revista Quimica 15.indd 64

14/12/2016 10:31:18

Esquema 1. Les primeres hidrogenacions enantioselectives de Knowles i Horner.

el desenvolupament de catalitzadors quirals, els quals eren destinats a la síntesi del fàrmac. Knowles fou de nou protagonista en desenvolupar una ruta sintètica per a la (L)-DOPA [5] que es basava en una última etapa d’hidrogenació asimètrica i, després, en emprar el nou lligand P-estereogènic DiPAMP (figura 1) [6]. Aquest provenia de la dimerització del PAMP i aconseguí selectivitats extraordinàries de fins al 96 % de ee en la hidrogenació asimètrica.

Paral·lelament, però, Dang i Kagan van dissenyar el lligand DIOP [7]. Aquest no contenia fosfines quirals, sinó que la quiralitat residia en l’esquelet de carboni. Els excessos obtinguts, tot i no ser tan alts com amb el DiPAMP (només del 83 % de ee), van demostrar que no era necessari tenir un fòsfor quiral per obtenir bons resultats. Això va impulsar la creació de nous lligands amb fòsfors aquirals, amb la qual cosa es va relegar a

un segon terme els lligands P-estereogènics durant els anys següents. Bosnich descrigué el ChiraPHOS [8]; Noyori, el BINAP [9], i Burk, el DuPHOS [10]. Amb aquests nous lligands s’obtingueren, per a alguns, uns resultats excel·lents.

No va ser fins més recentment que van aparèixer noves metodologies per generar fòsfors quirals, i grups com els de Hoge [11] o Imamoto [12] van dissenyar nous lligands P-estereogènics (TCFP o Quinox-P*, respectivament) que han resultat ser altament eficients en reaccions d’hidrogenació asimètrica.

Síntesi de sintons de fòsfor quiral Una de les síntesis més versàtils per a la formació de fòsfors quirals és la desenvolupada per Jugé [13]. Aquesta es basa en l’ús d’un metilaminoalcohol com a auxiliar quiral, per així, partint de la diclorofenilfosfina, obtenir fosfines quirals. Tot i ser una de les metodologies més efectives, té algunes carències. Una de les més acusades seria la impossibilitat de fornir fosfines amb substituents molt voluminosos (tert-butil, adamantil…).

El nostre grup ha desenvolupat una metodologia (esquema 2) en la qual, partint del cis–1–amino–2–indanol (auxiliar quiral) i la dicloro–tert–butilfosfina (font de fòsfor), s’obté el producte condensat 1. Aquest producte es pot fer reaccionar posteriorment amb diferents organomagnesians per obrir el cicle (producte 2). Una de les combinacions més interessants de substituents és la de tert-butil i metil, de manera que es combina un substituent voluminós i un de petit.

Figura 1. Diferents lligands P-estereogènics de rellevància.

Revista Quimica 15.indd 65

En aquest punt podem tractar el substrat 2 amb una solució àcida de MeOH/H2O i obtenir el corresponent àcid fosfinós 3 amb inversió de la configuració [14]. O bé la reacció pot encaminar-se cap a l’obtenció de l’aminofosfina 4. Mitjançant una combinació de Li/NH3, es produeix un trencament reductiu que allibera el producte, aquest cop amb retenció de la configuració. D’aquesta manera, tant l’àcid fosfinós com

65

14/12/2016 10:31:19

Esquema 2. Metodologia per a la formació dels diversos sintons de fòsfor quirals.

l’aminofosfina s’obtenen òpticament purs i amb uns processos que han demostrat ser escalables fins a unes quantitats de 300 g.

Els lligands SIP i MaxPHOS El nostre grup, aprofitant la metodologia abans descrita per a la síntesi dels sintons 3 i 4 òpticament purs, ha dissenyat diferents lligands quirals i els corresponents catalitzadors.

A partir del sintó P-estereogènic 4, s’han sintetitzat el lligand MaxPHOS [15, 16] i els lligands tipus SIP [17] (secondary imino phosphorane).

66

Revista Quimica 15.indd 66

Els lligands SIP es formen mitjançant l’atac nucleòfil del sintó d’aminofosfina 4 sobre un clorur de sulfonil. Un cop eliminat el grup protector borà (BH3), són estables a l’aire gràcies a una tautomeria que s’estableix entre les dues formes representades en l’esquema 3. La forma predominant és el tautòmer PH, cosa que n’evita l’oxidació, però, en presència de metalls, aquesta tautomeria es desplaça cap al tautòmer NH i es forma el complex 5. Coordinats a Rh, els lligands SIP han demostrat que són útils en reaccions de cicloaddició intramolecular [2 + 2 + 2] de endiins terminals [17].

D’altra banda, el lligand MaxPHOS consta d’un sistema PNP (esquema 4). Per sintetitzar-lo, l’aminofosfina 4 es fa reaccio-

Esquema 3. Els lligands SIP i les seves aplicacions en catàlisi asimètrica.

14/12/2016 10:31:21

Esquema 4. Els lligands MaxPHOS i la seva aplicació en hidrogenacions enantioselectives.

nar amb cloro–di–tert–butilfosfina en presència de NaH com a base. De nou s’observa una tautomeria PH/NH, que protegeix un dels fòsfors. El segon P es desprotegeix amb HBF4 i s’obté així la sal de fosfoni 6. Aquesta es pot coordinar directament a Rh, de manera que es forma 7.

El potencial del lligand MaxPHOS s’ha demostrat en les hidrogenacions de precursors d’α-aminoàcids, amb la qual cosa s’ha aconseguit una conversió i una enantioselectivitat totals.

Els lligands MaxPHOX Mentre que el potencial del sintó d’aminofosfina 4 recau en la seva capacitat com a nucleòfil, el del sintó d’àcid fosfinós 3 recau en la seva capacitat com a electròfil. O, més aviat, en la possibilitat de transformació de l’alcohol cap a bons grups sortints i, per tant, un electròfil millor. Mentre que pel sintó d’aminofosfina la quiralitat del fòsfor no es veu afectada, ja que el seu ús com a nucleòfil no implica trencament d’enllaços directament units al fòsfor, quan usem el sintó d’àcid fosfinós hi ha un trencament i una formació de nous enllaços units al fòsfor. Per tant, la dificultat d’utilitzar-lo com a electròfil rau en la necessitat que la reacció de substitució sobre el

Revista Quimica 15.indd 67

fòsfor sigui completament estereoespecífica. Això es va aconseguir transformant l’alcohol en un grup mesil usant anhídrid metansulfònic i trimetilamina com a base, a −20 °C en diclorometà. En aquestes condicions, la reacció transcorre amb inversió neta de la configuració. El procés funciona excepcionalment bé si el nucleòfil emprat és una amina primària.

Utilitzant aquesta metodologia es van dissenyar els nous lligands de tipus fosfinooxazolina MaxPHOX. El mètode emprat per formar els lligands (esquema 5) consta, primer, d’un acoblament entre un aminoàcid protegit amb Boc i un aminoalcohol, seguit de la desprotecció usant àcid. Els aminoalcohols 8 obtinguts es fan reaccionar amb el mesilat de l’àcid fosfinós 3 en una reacció tipus SN2@P, de manera que es forma 9.

L’últim pas per obtenir els lligands 10 és formar l’anell d’oxazolina mitjançant l’activació de l’alcohol i la posterior ciclació mitjançant base.

Fent ús d’aquesta metodologia es va sintetitzar una petita família de lligands MaxPHOX. Aquests lligands es van coordinar a Ir per formar una petita bateria de catalitzadors. La virtut principal d’aquesta família de lligands és que podem modificar de forma independent la configuració i els substituents dels diferents fragments. Això permet accedir ràpidament a una gran diversitat estructural.

67

14/12/2016 10:31:23

Esquema 5. a) Metodologia per formar els catalitzadors MaxPHOX. b) Petita llibreria de catalitzadors MaxPHOX. c) X = BArF.

Amb aquesta llibreria de catalitzadors, se n’ha pogut identificar un de molt selectiu en la hidrogenació d’enamides cícliques derivades de les α- i β-tetralones. Aquestes enamides, a més del repte que suposen, són també interessants perquè són intermedis clau en la síntesi de principis actius farmacèutics.

Exemple d’això seria l’agonista de la dopamina usat en el tractament del Parkinson, la rotigotina (esquema 6).

68

S’ha descobert que la pressió és clau per obtenir enantioselectivitats totals [18] i que aquestes són reproduïbles usant també dissolvents respectuosos amb el medi ambient, com poden ser l’acetat d’etil (AcOEt) o el metanol, en comptes de dissolvents clorats, com el diclorometà (CH2Cl2).

Revista Quimica 15.indd 68

Conclusions Els lligands de fòsfor estereogènics són molt útils en el camp de la catàlisi asimètrica. El nostre grup ha contribuït amb aportacions al disseny de noves metodologies i nous lligands.

Els exemples més destacables són els lligands de tipus SIP, MaxPHOS i MaxPHOX. Aquests se sintetitzen a partir dels sintons quirals 3 i 4 i, posteriorment, es coordinen a metalls com Rh o Ir. Els corresponents catalitzadors han demostrat que són molt eficients en diverses reaccions catalítiques. Exemples d’això són les cicloaddicions amb els catalitzadors SIP–Rh, les hidrogenacions de precursors d’α-aminoàcids amb el MaxPHOS–Rh o les hidrogenacions d’enamides cícliques amb els nous catalitzadors MaxPHOX–Ir.

14/12/2016 10:31:24

Esquema 6. Síntesi de la rotigotina.

Referències [1] a) Horner, L.; Winkler, H.; Rapp, A.; Mentrup, A.; Hoffmann, H.; Beck, P. «Phosphororganische verbindungen optisch aktive tertiäre phosphine aus optisch aktiven quartären phosphoniumsalzen». Tetrahedron Lett., núm. 2 (1961), p. 161. b) Horner, L. «Darstellung und Eigenschaften optisch aktiver, tertiärer Phosphine». Pure Appl. Chem., núm. 9 (1964), p. 225. c) Horner, L.; Schedlbauer, F.; Beck, P. «Phosphororganische verbindungen XLII darstellung eines optisch aktiven triarylphosphins». Tetrahedron Lett., núm. 5 (1964), p. 1421. d) Horner, L.; Winkler, H. «Phosphororganische verbindungen XXXIX konfigurationsbeziehungen zwischen optisch aktiven, phosphororganischen verbindungen». Tetrahedron Lett., núm. 5 (1964), p. 175. e) Horner, L.; Balzer, W. D. «Phosphororganische verbindungen IXL zum sterischen verlauf der desoxygenierung von tertiären phosphinoxyden zu tertiären phosphinen mit trichlorsilan». Tetrahedron Lett., núm. 6 (1965), p. 1157. f ) Horner, L.; Balzer, W. D.; Peterson, D. J. «Phosphororganische verbindungen 53 Konfigurationsstabilität von optisch aktivem, -metalliertem methyl-n-propyl-phenyl-phosphin». Tetrahedron Lett., núm. 7 (1966), p. 3315.

[2] a) Young, J. F.; Osborn, J. A.; Jardine, F. H.; Wilkinson, G. «Hydride intermediates in homogeneous hydrogenation reactions of olefins and acetylenes using rhodium catalysts». Chem.

Commun., núm. 7 (1965), p. 131. b) Osborn, J. A.; Jardine, F. H.; Young, J. F.; Wilkinson, G. «The preparation and properties of tris(triphenylphosphine)halogenorhodium(I) and some reactions thereof including catalytic homogeneous hydrogenation of olefins and acetylenes and their derivatives». J. Chem. Soc. (A), s. núm. (1966), p. 1711.

Revista Quimica 15.indd 69

[3] Knowles, W. S.; Sabacky, M. J. «Catalytic asymmetric hydrogenation employing a soluble, optically active, rhodium complex». Chem. Commun., núm. 22 (1968), p. 1445.

[4] Horner, L.; Siegel, H.; Büthe, H. «Asymmetric catalytic hydrogenation with an optically active phosphinerhodium complex in homogeneous solution». Angew. Chem. Int. Ed., núm. 7 (1968), p. 942.

[5] Knowles, W. S. «Asymmetric hydrogenations (Nobel Lecture 2001)». Adv. Synth. Catal., núm. 345 (2003), p. 3.

[6] Knowles, W. S.; Sabacky, M. J.; Vineyard, B. D.; Weinkauff, D. J. «Asymmetric hydrogenation with a complex of rhodium and a chiral bisphosphine». J. Am. Chem. Soc., núm. 97 (1975), p. 2567.

[7] a) Dang, T.; Kagan, H. B. «The asymmetric synthesis of hydratropic acid and amino acids by homogeneous catalytic hydrogenation». J. Chem. Soc., Chem. Commun. (1971), p. 481. b) Kagan, H. B.; Dang, T. «Asymmetric catalytic reduction with transition metal complexes. I. Catalytic system of rhodium(I) with (-)-2,3-0-isopropylidene-2,3-dihydroxy-1,4-bis(diphenylphosphino)butane, a new chiral diphosphine». J. Am. Chem.

Soc., núm. 94 (1972), p. 6429.

[8] Fryzuk, M. D.; Bosnich, B. «Asymmetric synthesis. Production of optically active amino acids by catalytic hydrogenation». J. Am. Chem. Soc., núm. 99 (1977), p. 6262.

[9] Miyashita, A.; Yasuda, A.; Takaya, H.; Toriumi, K.; Ito, T.; Souchi, T.; Noyori, R. «Synthesis of 2,2′-bis(diphenylphosphino)1,1′-binaphthyl (BINAP), an atropisomeric chiral bis(triaryl)phosphine, and its use in the rhodium(I)-catalyzed asymmetric hydrogenation of a-(acylamino)acrylic acids». J. Am. Chem. Soc., núm. 102 (1980), p. 7932.

[10] Burk, M. J.; Feaster, J. E.; Nugent, W. A.; Harlow, R. L. «Preparation and use of C2-symmetric bis(phospholanes): produc-

69

14/12/2016 10:31:25

tion of a-amino acid derivatives via highly enantioselective hydrogenation reactions». J. Am. Chem. Soc., núm. 115 (1993), p. 10125.

[11] Hoge, G.; Wu, H.; Kissel, W. S.; Pflum, D. A.; Greene, D. J.; Bao, J. «Highly selective asymmetric hydrogenation using a three hindered quadrant bisphosphine rhodium catalyst».

J. Am. Chem. Soc., núm. 126 (2004), p. 5966.

[12] Imamoto, T.; Watanabe, J.; Wada, Y.; Masuda, H.; Yamada, H.; Tsuruta, H.; Matsukawa, S.; Yamaguchi, K. «P-chiral bis(trialkylphosphine) ligands and their use in highly enantioselective hydrogen­ ation reactions». J. Am. Chem. Soc., núm. 120 (1998), p. 1635.

[13] Jugé, S.; Stephan, M.; Laffite, J.; Genet, J. «Efficient asymmetric synthesis of optically pure tertiary mono- and diphosphine ligands». Tetrahedron Lett., núm. 31 (1990), p. 6357.

[14] Orgue, S.; Flores-Gaspar, A.; Biosca, M.; Pàmies, O.; Diéguez, M.; Riera, A.; Verdaguer, X. «Stereospecific SN2@P reactions: novel access to bulky P-stereogenic ligands». Chem. Commun., núm. 51 (2015), p. 17548.

[15] Revés, M.; Ferrer, C.; León, T.; Doran, S.; Etayo, P.; Vidal-Ferran, A.; Riera, A.; Verdaguer, X. «Primary and secondary aminophosphines as novel P-stereogenic building blocks for ligand synthesis». Angew. Chem. Int. Ed., núm. 49 (2010), p. 9452.

[16] Cristóbal-Lecina, E.; Etayo, P.; Doran, S.; Revés, M.; Martín-Gago, P.; Grabulosa, A.; Costantino, A. R.; Vidal-Ferran, A.; Riera, A.; Verdaguer, X. «MaxPHOS ligand: PH/NH tautomerism and rhodium-catalyzed asymmetric hydrogenations». Adv. Synth. Catal., núm. 356 (2014), p. 795.

[17] León, T.; Parera, M.; Roglans, A.; Riera, A.; Verdaguer, X. «P-stereogenic secondary iminophosphorane ligands and their rhodium(I) complexes: taking advantage of NH/PH tautomerism». Angew. Chem. Int. Ed., núm. 51 (2012), p. 6951.

[18] Salomó, E.; Orgue, S.; Riera, A.; Verdaguer, X. «Highly enantioselective iridium-catalyzed hydrogenation of cyclic enamides». Angew. Chem. Int. Ed., núm. 55 (2016), p. 79887992.

70

Revista Quimica 15.indd 70

14/12/2016 10:31:25

E. Salomó

A. Riera

X. Verdaguer

Ernest Salomó va néixer a Espinelves. Va graduar-se en química per la Universitat de Barcelona l’any 2013. Va cursar el màster de química orgànica el curs 2013-2014. Actualment treballa com a doctorand al grup del professor Antoni Riera, sota la supervisió del professor Xavier Verdaguer, a l’Institut de Recerca Biomèdica (IRB) de Barcelona.

Antoni Riera va néixer a Balsareny. Va llicenciar-se per la Universitat de Barcelona (UB) i va obtenir el doctorat sota la supervisió dels professors Pericàs i Serratosa. Actualment és catedràtic a la UB. Xavier Verdaguer va néixer a Vic. Va llicenciar-se per la Universitat de Barcelona (UB) i va obtenir el doctorat sota la supervisió dels professors Riera i Pericàs. Actualment és professor titular a la UB.

71

Revista Quimica 15.indd 71

14/12/2016 10:31:26

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 15 (2016), p. 72-77 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 DOI: 10.2436/20.2003.01.77 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Anàlisi directa per espectrometria de masses: desorció per electroesprai (DESI-HRMS) Direct analysis by mass spectrometry: desorption electrospray ionization (DESI-HRMS) Raquel Seró Universitat de Barcelona. Facultat de Química. Departament d’Enginyeria Química i Química Analítica. Secció de Química Analítica

Resum: El notable augment de la utilització de l’anàlisi directa per espectrometria de masses que s’ha experimentat en aquests últims anys està directament relacionat amb el desenvolupament de les tècniques d’anàlisi de superfícies per espectrometria de masses a pressió atmosfèrica (ambient mass spectrometry). En concret, la ionització per desorció per electroesprai (DESI), una de les tècniques més emprades i que permet realitzar l’anàlisi directament sobre la superfície de la mostra o després d’haver-la sotmès a una mínima manipulació, ha fet possible el desenvolupament de mètodes d’anàlisi molt ràpids i aplicables a matrius complexes, especialment si s’utilitza l’espectrometria de masses d’alta resolució (HRMS). En aquest treball, es mostren alguns exemples que pretenen demostrar l’aplicabilitat de DESI-HRMS com a eina de cribratge per a l’anàlisi de compostos orgànics en mostres complexes.

Paraules clau: Anàlisi de superfícies per espectrometria de masses a pressió atmosfèrica, ionització per desorció per electroesprai (DESI), anàlisi directa, mètodes de cribratge.

Abstract: The recent introduction of ambient ionization mass spectrometry techniques has generated an important progress in the direct analysis of organic compounds. Specifically, desorption electrospray ionization (DESI), one of the most frequently used ambient techniques, allows the analysis on the sample surface directly or with minimal sample manipulation. Thus, the analysis is performed in few seconds and is applicable to complex samples, especially when using high resolution mass spectrometry (HRMS). This paper presents some examples showing the applicability of DESI-HRMS for the screening analysis of organic compounds in complex samples.

Keywords: Ambient mass spectrometry, desorption electrospray ionization (DESI), direct analysis, screening analysis.

Introducció

A

vui dia, els laboratoris de control necessiten mètodes de cribratge que permetin identificar d’una manera ràpida les mostres positives que posteriorment s’hauran de quantificar. En aquest context, l’anàlisi directa per espectrometria de masses ofereix avantatges significatius, com ara l’eliminació de tractaments de mostra tediosos que, a més d’augmentar considerablement el temps d’anàlisi, poden resultar discriminants, si hom pretén identificar compostos desconeguts.

En els últims anys, el camp de l’anàlisi directa ha sofert una notable ampliació amb l’aparició de les tècniques d’anàlisi de superfícies per espectrometria de masses a pressió atmosfèrica, definida com a ambient mass spectrometry (AMS), que

72

Correspondència: Raquel Seró Universitat de Barcelona. Facultat de Química. Departament d'Enginyeria Química i Química Analítica C. de Martí i Franquès, 1-11. 08028 Barcelona Tel.: +34 934 021 286 A/e: rsero@ub.edu

Revista Quimica 15.indd 72

permeten la identificació inequívoca de compostos, tant majoritaris com minoritaris, en mescles i/o matrius complexes, sobretot si s’utilitza l’espectrometria de masses d’alta resolució (HRMS) [1]. Aquestes tècniques operen en un sistema obert a pressió atmosfèrica i permeten l’anàlisi directa de la superfície de la mostra sense cap o tan sols amb una mínima manipulació. Això permet l’anàlisi ràpida de mostres sòlides, però també es poden analitzar líquids, solucions congelades i, fins i tot, gasos adsorbits. La figura 1 mostra les diferents fonts AMS que s’han desenvolupat classificades segons el principi d’ionització (esprai, làser, plasma, etc.). Tot i que actualment són moltes les fonts AMS que existeixen, la major part són prototips desenvolupats amb finalitats investigadores. Les fonts AMS més utilitzades que es troben disponibles comercialment són la font d’ionització per electroesprai (DESI) [2] i l’anàlisi directa en temps real (DART) [3].

En DESI, s’utilitza un dissolvent que genera un esprai de gotes carregades (electroesprai) en aplicar-hi un voltatge elevat (5 kV) i que permet la ionització i la desorció dels anàlits de la superfície de la mostra amb l’ajuda d’un gas de nebulització.

La figura 2 mostra la imatge d’una font DESI comercial. Pel

14/12/2016 10:31:26

Figura 2. Font d’ionització per desorció per electroesprai (DESI).

Figura 1. Classificació de les fonts AMS més rellevants segons el mecanisme d’ionització.

que fa al mecanisme d’ionització, un esprai de gotes carregades impacta sobre la superfície de la mostra, on es realitza in situ una extracció sòlid-líquid. En una segona etapa, les gotes secundàries carregades que es formen a la superfície i que contenen els anàlits extrets i desorbits són impulsades per un gas de nebulització cap a l’entrada de l’espectròmetre de masses. Es tracta d’una tècnica molt ràpida (l’anàlisi es realitza en menys de 10 segons) i, per tant, és idònia per al desenvolupament de mètodes de cribratge per als laboratoris de control. També és utilitzada en l’anàlisi forense i de restauració artística, així com per a l’anàlisi de compostos desconeguts, ja que requereix poca mostra i permet l’anàlisi in situ sense la necessitat de tractaments que poden resultar discriminants [4]. Ara bé, amb aquesta tècnica, per evitar problemes de reproductibilitat, sobretot si s’analitza la superfície d’una mostra no homogènia, cal optimitzar una sèrie de paràmetres geomètrics (figura 2) que són crítics i que estan directament relacionats amb l’eficàcia d’extracció i d’ionització dels anàlits [5].

D’altra banda, els espectres de masses que s’obtenen són molt complexos, la qual cosa implica que calgui recórrer a l’espectrometria de masses d’alta resolució (DESI-HRMS) per evitar al màxim les interferències que puguin afectar la detecció dels compostos d’interès. En els mètodes desenvolupats per DESI-HRMS que es comenten en aquest treball, s’ha utilitzat un espectròmetre de masses d’alta resolució amb un analitzador quadrupol-orbitrap treballant a una resolució de 70.000 per a una massa de m/z 200. Un cop adquirits els espectres en

Revista Quimica 15.indd 73

alta resolució, la identificació dels compostos en les mostres positives s’ha dut a terme utilitzant bases de dades al mateix laboratori (que contenen els compostos que, segons la bibliografia consultada, són característics de la mostra o s’hi poden trobar) i aplicant els criteris següents: un error de massa inferior a 5 ppm, una relació senyal-soroll mínima de 3 a 1 i un ajust entre el clúster isotòpic experimental i el teòric superior al 80 %.

En aquest treball es presenten dos exemples que pretenen demostrar la capacitat de DESI-HRMS per a la determinació de compostos orgànics en matrius complexes. Es comenten els avantatges més significatius de la tècnica, així com les diferents estratègies de manipulació de la mostra que s’han emprat en aquelles matrius la complexitat de les quals no ha permès l’anàlisi directa de la mostra.

Identificació de polifenols en fulles de romaní En el primer exemple, s’utilitza DESI-HRMS per estudiar diferències en la composició polifenòlica de plantes de romaní tractades amb fongs. El romaní (Rosmarinus officinalis), una herba silvestre típica de la conca mediterrània, és molt utilitzat com a espècie culinària i com a remei casolà, ja que presenta propietats antioxidants i antimicrobianes. Recentment, diversos experiments realitzats a llarg termini han posat de manifest que la colonització de les plantes de romaní amb fongs micoriza n’afavoreix el creixement i, a més, contribueix al desenvolupament de la comunitat vegetal general i a l’estabilització dels sòls. Per tant, aquestes plantes, que tenen un baix cost econòmic, podrien tenir un paper important per re-

73

14/12/2016 10:31:27

meiar i recuperar els sòls [6]. Es creu que la simbiosi entre la planta i el fong micoriza pot alterar el metaboloma de la planta i, més concretament, els compostos bioactius que conté, com ara els polifenols.

En aquest estudi s’ha avaluat si existeixen diferències significatives en la composició polifenòlica de les plantes de romaní inoculades i no inoculades analitzant directament les fulles per DESI-HRMS. Un dels problemes de l’anàlisi directa de mostres sòlides per DESI és la baixa reproductibilitat que està directament relacionada amb la poca homogeneïtat de la superfície de la matriu sòlida. Tal com es pot observar a la figura 3, les fulles de romaní no són planes, i això comporta diferències en les distàncies entre la superfície, l’agulla de l’electroesprai i l’entrada a l’espectròmetre de masses, que són els paràmetres geomètrics que condicionen la resposta. Per tal de controlar i corregir aquesta variabilitat en la resposta, es proposa afegir un patró, l’arbutina, un polifenol que no és característic de les plantes de romaní, en el solvent de l’electroesprai.

La figura 4 mostra els espectres en alta resolució obtinguts d’una mostra inoculada i d’una no inoculada, respectivament.

74

Revista Quimica 15.indd 74

Figura 3. Instantània de l’anàlisi per DESI d’una fulla de romaní.

Tant en les mostres inoculades com en les no inoculades s’ha detectat la presència d’àcid carnòsic, però en una concentració més gran en les plantes de romaní micorizades. A més, en les mostres inoculades, s’observa la presència d’altres polifenols, com l’àcid betulínic, l’anemosapogenin, l’àcid ursòlic i l’àcid asiàtic (figura 4a). Aquests resultats posen de manifest que es produeix un augment de la producció de polifenols per part de la planta quan està en contacte amb el fong micoriza, probablement a causa d’un efecte de resposta defensiva davant la colonització fúngica amb l’objectiu de combatre la invasió del fong micoriza [7].

Figura 4. Espectres de masses obtinguts en l’anàlisi per DESI-HRSM d’una fulla de romaní inoculada (a) i no inoculada (b).

14/12/2016 10:31:27

Anàlisi de contaminacions creuades de drogues veterinàries en pinsos El segon exemple incideix en el problema de contaminacions creuades en la fabricació de pinsos. Els pinsos medicats amb fàrmacs veterinaris estan estrictament legislats per la Unió Europea, sota el Reglament (CE) 183/2005 [8]. Ara bé, en general, la fabricació de pinsos medicats i no medicats es realitza en la mateixa línia de producció, la qual cosa provoca el que es coneix com a contaminació creuada, atès que traces de medicaments romanen inevitablement en el circuit de producció [9]. Tot i que es troben a baixes concentracions, aquests residus de fàrmacs poden representar un risc per a la salut humana si arriben al consumidor. En aquest context, l’objectiu de l’estudi ha estat desenvolupar un mètode ràpid de cribratge mitjançant DESI-HRMS per a la detecció de contaminacions creuades de fàrmacs veterinaris en pinsos.

El desenvolupament del mètode [10] ha posat de manifest un dels problemes que presenta la DESI, que és l’estratègia de manipulació de la mostra que cal utilitzar en cada cas concret. El pinso té una textura polsosa difícil d’analitzar directament i, en conseqüència, si es vol analitzar d’aquesta manera, cal aplicar algun sistema per fixar la mostra al suport.

La preparació de pastilles utilitzant una premsa hidràulica no va permetre dur a terme l’anàlisi directa, ja que les pastilles es desmuntaven i contaminaven la font d’ionització, la qual cosa impossibilitava l’anàlisi. En aquest cas, l’estratègia que es proposa passa per realitzar una extracció sòlid-líquid utilitzant acetonitril com a agent extractant i dipositant 2 µL de l’extracte sobre una superfície de tefló que, assecada a temperatura ambient, s’analitza per DESI-HRMS. Tot i la manipulació de la mostra, el temps total d’anàlisi no supera els 10 minuts.

La figura 5 mostra, a tall d’exemple, l’espectre de masses obtingut en analitzar una mostra de pinso no medicat. Es pot observar clarament la presència de salinomicina a la mostra.

La validació del mètode duta a terme per UHPLC-MS/MS [11] ha posat de manifest l’aplicabilitat de la tècnica com a eina de cribratge. En aquest cas concret, la concentració de salinomicina a la mostra de pinso no medicat (20 µg · g−1) es troba molt per sobre de la concentració màxima permesa per la legislació vigent (0,7 µg · g−1).

Revista Quimica 15.indd 75

Figura 5. DESI-HRMS full-scan d’una mostra no medicada contaminada amb salinomicina.

Conclusions Els dos exemples presentats posen de manifest la potencialitat de la DESI per al desenvolupament de mètodes ràpids i de cribratge per a l’anàlisi de mostres sòlides i líquides. Ara bé, en l’anàlisi de matrius complexes, cal l’ús de DESI-HRMS per aconseguir la necessària selectivitat del mètode. Tal com s’ha demostrat, la tècnica permet l’anàlisi de mostres en el seu estat natiu, per exemple, directament les fulles de romaní, encara que en certes ocasions és necessari manipular la mostra aplicant l’estratègia òptima en cada cas, que depèn de la naturalesa i la complexitat de la matriu que hom pretén analitzar.

Agraïments L’autora vol expressar el seu agraïment al Ministeri d’Economia i Competitivitat (MINECO) pel finançament rebut (projecte CTQ2012-30836), i a l’Agència de Gestió d’Ajuts Universitaris i de Recerca de la Generalitat de Catalunya (AGAUR) (projecte 2014SGR-539) i a la Universitat de Barcelona per la concessió d’una beca APIF per a la realització de la tesi doctoral. Finalment, vol agrair a la Societat Catalana de Química el premi atorgat en la novena Trobada de Joves Investigadors dels Països Catalans.

Referències i altres fonts [1] Domin, M.; Cody, R. B. Ambient ionization mass spectrometry. Cambridge: Royal Society of Chemistry, 2015.

[2] Takáts, Z.; Wiseman, J. M.; Gologan, B.; Cooks, R. G. «Mass spectrometry sampling under ambient conditions with de-

75

14/12/2016 10:31:28

sorption electrospray ionization». Science, núm. 306 (2004), p. 471-473.

[3] Cody, R. B.; Laramée, J. A.; Durst, H. D. «Versatile new ion source for the analysis of materials in open air under ambient conditions». Anal. Chem., núm. 77 (2005), p. 2297-2302.

[4] Seró, R.; Núñez, O.; Moyano, E. «Ambient ionization-high resolution mass spectrometry: environmental, food, doping and forensic analysis». A: Pérez, S.; Eichorn, P.; Barceló, D. (ed.).

Applications of TOF and orbitrap MS in environmental, food, doping and forensic analysis. Amsterdam: Elsevier, 2015.

[5] Bodzon-Kulakowska, A.; Drabik, A.; Ner, J.; Kotlinska, J. H.; Suder, P. «Desorption electrospray ionisation (DESI) for beginners: how to adjust settings for tissue imaging». Rapid Commun. Mass Spectrom., núm. 28 (2014), p. 1-9.

[6] Camprubi, A.; Zárate, I. A.; Adholeya, A.; Lovato, P. E.; Calvet, C. «Field performance and essential oil production of mycorrhizal rosemary in restoration low-nutrient soils». L. Degrad. Dev., núm. 26 (2015), p. 793-799.

[7] Copetta, A.; Lingua, G.; Berta, G. «Effects of three AM fungi on growth, distribution of glandular hairs, and essential oil production in Ocimum basilicum L. var. Genovese». Mycorrhiza, núm. 16 (2006), p. 485-494.

[8] Reglament (CE) 183/2005, del Parlament Europeu i del Consell, de 12 de gener de 2005, pel qual es fixen requisits d’higiene en matèria de pinsos, L35, 1-22.

[9] Strauch, W. «Causes and control of carry-over and cross-contamination. Part 1: in production of premixes and compound feed». Kraftfutter, núm. 4 (2002), p. 151-159.

[10] Seró, R.; Núñez, O.; Bosch, J.; Grases, J.; Rodríguez, P.; Moyano, E.; Galceran, M. «Desorption electrospray ionization-high resolution mass spectrometry for the screening of veterinary drugs in cross-contaminated feedstuffs». Anal. Bioanal.

Chem., núm. 407 (2015), p. 1-10.

[11] Borràs, S.; Companyó, R.; Guiteras, J.; Bosch, J.; Medina, M.; Termes, S. «Multiclass method for antimicrobial analysis in animal feeds by liquid chromatography-tandem mass spectrometry». Anal. Bioanal. Chem., núm. 405 (2013), p. 8475-8486.

76

Revista Quimica 15.indd 76

14/12/2016 10:31:28

R. Seró

Raquel Seró va néixer a Lleida l’any 1990. Va estudiar el grau de química i el màster en química analítica a la Universitat de Barcelona i actualment realitza la tesi doctoral al Departament d'Enginyeria Química i Química Analítica de la mateixa universitat, sota la direcció de la doctora Encarnación Moyano. La seva tesi doctoral està centrada en l’estudi de les noves tècniques AMS i, en concret, en el desenvolupament de mètodes que permetin demostrar l’aplicabilitat de la tècnica DESI com a tècnica analítica ràpida.

77

Revista Quimica 15.indd 77

14/12/2016 10:31:28

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 15 (2016), p. 78-83 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 DOI: 10.2436/20.2003.01.78 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Consum i destí dels fàrmacs citostàtics al medi aquàtic Consumption and fate of cytostatic drugs in the aquatic environment Helena Franquet-Griell, Francesc Ventura i Sílvia Lacorte Institut de Diagnosi Ambiental i Estudis de l’Aigua (IDAEA-CSIC). Departament de Química Ambiental

Resum: Els citostàtics utilitzats per al tractament del càncer tenen un consum anual a Catalunya d’unes 5 tones. A causa de la seva baixa biodegradabilitat, molts no s’eliminen a les estacions depuradores d’aigües residuals (EDAR) i arriben al medi aquàtic. L’objectiu d’aquest estudi és calcular les concentracions previstes (predicted environmental concentrations, PEC) per donar prioritat als citostàtics sobre la base del seu consum, excreció i degradabilitat, i segons aquesta predicció, avaluar-ne la presència al medi aquàtic. En aigües residuals, els nivells detectats han estat entre 16 i 2 539 ng · L−1, mentre que al riu Besòs s’han detectat entre 0,5 i 656 ng · L−1. L’àcid micofenòlic és el fàrmac amb una PEC més elevada i ha estat el que s’ha detectat a concentracions més altes tant a l’EDAR com al riu.

Paraules clau: Fàrmacs, citostàtics, PEC, EDAR, riu.

Abstract: Cytostatic drugs used in cancer treatments have a consumption of 5 tons per year in Catalonia. Due to their low biodegradability, most of them are not removed in wastewater treatment plants (WWTP) and reach the aquatic environment. The aim of this study is to calculate the predicted concentrations (PECs) to prioritize cytostatic drugs according to their consumption, excretion and degradability, and considering this prediction, to evaluate their presence in the aquatic environment. In wastewaters, concentrations between 16 and 2 539 ng · L−1 were detected, and in the Besòs River the levels were between 0.5 and 656 ng · L−1. Mycophenolic acid is the drug with the highest PEC and it was detected at the highest concentrations in both WWTP and the river.

Keywords: Drugs, cytostatics, PEC, WWTP, river.

Introducció

E

ls fàrmacs citostàtics són un ampli grup format per tots aquells compostos que s’utilitzen en quimioteràpia per al tractament del càncer. El consum d’aquests medicaments ha augmentat considerablement en els darrers anys a causa de l’increment de la incidència de càncer en la població [1].

Anualment, a Catalunya s’administren unes 5 tones de citostàtics [2]. Després d’administrar-se, els fàrmacs s’excreten a través de l’orina o la femta en forma de metabòlits, o bé del compost original, i passen a les aigües del clavegueram. A les depuradores, molts no s’eliminen completament i poden arribar als rius, on poden suposar un perill per als organismes aquàtics a causa de la seva activitat citotòxica. Per aquest motiu, l’estudi de la seva presència i el comportament en el medi ambient és d’un gran interès.

Els citostàtics es van detectar per primera vegada en aigües de riu a Suïssa [3], on es van descriure com a contaminants emergents amb potencial tòxic. Els efluents d’hospitals i els de depuradora [4-5] són les principals fonts de contaminació de citostàtics en el medi aquàtic. El càlcul de les concentracions previstes al medi (PEC) permet pronosticar els nivells de fàrmacs que es preveu trobar en un riu, tenint en compte el seu consum, la fracció excretada i l’eliminació en depuradores. D’aquesta manera, es pot donar prioritat als fàrmacs en funció de la seva PEC per a un posterior monitoratge. Aquest model s’ha utilitzat àmpliament per a diferents tipus de fàrmacs, incloent-hi els citostàtics [4, 6-8].

L’objectiu d’aquest treball és calcular les PEC per a tots els citostàtics que es consumeixen a Catalunya i estudiar-ne la presència a l’entrada i la sortida d’una d’estació depuradora d’aigües residuals (EDAR), així com també al llarg de la conca del riu Besòs.

Materials i mètodes 78

Correspondència: Helena Franquet-Griell Institut de Diagnosi Ambiental i Estudis de l’Aigua (IDAEA-CSIC). Departament de Química Ambiental C. de Jordi Girona, 18-26. 08034 Barcelona Tel.: +34 934 006 100. Fax: +34 932 045 904 A/e: hfgqam@cid.csic.es

Revista Quimica 15.indd 78

Càlcul de les PEC Les dades del consum de fàrmacs citostàtics en hospitals i farmàcies durant el període 2010-2015 van ser facilitades pel

14/12/2016 10:31:28

CatSalut. Les dades hospitalàries es van proporcionar com el nombre d’activitats (càpsules, pastilles, injeccions, etc.) dispensades, i coneixent la concentració de cada activitat es va calcular el consum total de producte actiu. El consum farmacèutic es va proporcionar directament en forma de mil·ligrams anuals dels diferents productes actius. Per calcular les concentracions previstes als rius de Catalunya, es va utilitzar la fórmula següent [6]: PEC (ng · L−1) =

(consum × Fexc × (1 − Fdep) WW × hab × dil

ció des de la depuradora fins al riu (25, segons proposen com a valor mitjà per a Espanya Keller et al. [9]).

Per cada citostàtic administrat a Catalunya, s’han calculat dos valors de PEC: la concentració prevista als efluents d’EDAR (PECef) i la concentració prevista al riu (PECriu). La diferència consisteix a aplicar o no el factor de dilució (dil).

Materials i reactius

109

Segons els compostos prioritzats a través de l’estimació de les PEC, es van adquirir setze estàndards (puresa ≥ 98 %) a SigmaAldrich (Saint Louis, Missouri, EUA). Els compostos analitzats s’indiquen a la figura 1. La ciclofosfamida-d4 i l’àcid micofenòlic-d3 es van utilitzar com a patrons interns (PI). Les solucions patró es van preparar a 1 000 mg · L−1 en metanol (MeOH)

en què el consum (g · dia−1) és la quantitat de principi actiu administrada a Catalunya; Fexc és la fracció excretada; Fdep és la fracció eliminada a les depuradores; WW (L · hab−1 · dia−1 a Catalunya) és el consum d’aigua per habitant (130,9 L · hab−1 · dia−1); hab és el nombre d’habitants, i dil és el factor de dilu-

%

16,86

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00

15,34

15,30

%

2

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

14,78

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

11,65

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00

9,00

10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00

10,02

8,43

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

1,00

2,00

3,00

4,00

1,00

2,00

3,00

%

2

0

9,00

10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00

359 > 341 (prednisona) 544 > 397 (doxorubicina) 9,00

10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00

7,00

8,00

9,00

10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00

7,00

8,00

9,00

10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00

6,00

7,00

8,00

9,00

10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00

5,00

6,00

305 > 288 (melfalan)

4,00

5,00

6,00

360 > 244 (capecitabina)

5,63

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

587 > 167 (irinotecan)

4,64

1,00

2,00

3,00

4,00

261 > 140 (ciclofosfamida)

4,29

%

1

8,00

6,33

%

2

10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00

8,00

%

0

9,00

7,00

%

2

8,00

6,38

%

2

7,00

1,00

261 > 154 (ifosfamida)

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00

0,58

1,00

244 > 112 (citarabina)

Figura 1. Separació cromatogràfica dels setze citostàtics analitzats (estàndard a 0,05 mg · L−1).

Revista Quimica 15.indd 79

406 > 355 (vinblastina)

605 > 249 (leuprolida)

6,59

%

5

7,00

micofenòlic)

413 > 353 (vincristina)

6,67

%

24

8,00

6,91

%

10

321 > 303 (àcid

2,00

%

10

304 > 192 (clorambucil)

1,00

%

0

417 > 357 (ciproterona)

10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00

%

0

385 > 267 (megestrol)

10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00

%

9

372 > 129 (tamoxifèn)

1,00

%

1

Temps (min)

−1

79

14/12/2016 10:31:29

i les solucions de treball, a 10 mg · L−1. Els cartutxos Oasis HLB per a l’extracció en fase sòlida (SPE) van ser adquirits a Waters (Massachusetts, EUA).

Presa de mostres Les mostres d’aigua (1 L) es van recollir a l’entrada i la sortida de l’EDAR Besòs, localitzada al tram més baix del riu, que processa 0,525 hm3 d’aigua diaris provinents de més de la meitat de la població de l’àrea metropolitana de Barcelona. Al Besòs, es va recollir aigua dels afluents (Mogent, Congost, Tenes, riera de Caldes i Ripoll) i del riu principal, tant a les capçaleres com a la confluència de l’afluent amb el riu i entre estacions depuradores. Totes les mostres es van guardar a 4 °C i es van extreure abans de 48 h per evitar la possible degradació dels anàlits.

Extracció i anàlisi El tractament de les mostres, de forma resumida, va ser el següent: les mostres es van acidificar a pH2 amb àcid clorhídric al 37 %. Es van extreure 100 mL de mostra fortificada amb 5 ng de PI per extracció en fase sòlida utilitzant els cartutxos Oasis HLB de 200 mg. Els anàlits es van analitzar mitjançant cromatografia de líquids d’alta eficàcia (UHPLC) Acquity acoblada a un espectròmetre de masses en tàndem TQD (Waters, Massachusetts, EUA). Es va utilitzar una columna Acquity UPLC BEH C18 (100 mm × 2,1 mm, mida de partícula 1,7 mm) a un cabal de 0,3 mL · min−1. Per a les fases mòbils, es va utilitzar àcid fòrmic al 0,1 % en acetonitril (A) i al 0,1 % en aigua (B). Es va treballar en mode MRM (multiple reaction mon­

itoring), amb dues transicions per a cada compost: l’una de quantificació i l’altra de confirmació. La figura 1 mostra la separació cromatogràfica dels compostos analitzats, així com la transició de quantificació.

Resultats i discussió Consum de citostàtics a Catalunya El consum total de fàrmacs citostàtics a Catalunya ha augmentat en els darrers anys de 4,7 a 5,3 tones durant el període 2010-2015, i s’ha administrat un total de 134 citostàtics diferents (82 de dispensació hospitalària i 72 de farmacèutica), segons les dades del CatSalut. El consum en farmàcies representa un 81-94 % respecte del total, i els compostos més consumits són l’àcid micofenòlic, la hidroxicarbamida, la prednisona i l’azatioprina (2 477, 733, 286 i 275 kg administrats, respectivament, l’any 2015). Per contra, l’administració hospitalària només representa el 6-19 % del total. Aquí destaquen la capecitabina, l’imatinib i l’abiraterona (645, 98 i 82 kg administrats, respectivament, durant l’any 2015) com a fàrmacs més usats. Per tant, la font principal de contaminació no és l’hospitalària, sinó el consum farmacèutic per part de pacients externs.

Concentracions ambientals previstes en EDAR i rius (PEC) Tot i que els fàrmacs més consumits ja donen una idea del que es podria trobar al medi, cal tenir en compte que no tots s’ex-

100 90 PEC (ng · L–1)

80

2010

70

2011

60

2012

50

2013

40

2014

30

2015

20 10 0 80

Àcid micofenòlic

Hidroxicarbamida

Capecitabina

Bicalutamida

Imatinib

Prednisona

Figura 2. Concentració de citostàtics prevista als rius catalans (PECriu).

Revista Quimica 15.indd 80

14/12/2016 10:31:29

creten o s’eliminen de la mateixa manera a les depuradores.

Per això el càlcul de les PEC permet obtenir una prioritat més acurada. La figura 2 mostra les PECriu > 1 ng · L−1 per als citostàtics consumits a Catalunya. Segons l’Agència Europea de Medicaments (EMEA) [10], cal fer un seguiment dels fàrmacs amb concentracions superiors a 10 ng · L−1, ja que poden produir efectes negatius en els ecosistemes aquàtics.

Dels 134 citostàtics administrats, només se’n preveu trobar 6 en aigües superficials en concentracions superiors a 1 ng · L−1.

L’àcid micofenòlic és el compost amb unes PEC reiteradament més elevades, i durant el període 2010-2015 la PECef varia entre 1 910 i 2 546 ng · L−1 i la PECriu, entre 74 i 98 ng · L−1. En segon lloc, la PECef de la hidroxicarbamida augmenta de 791 a 944 ng · L−1 i la PECriu, de 30 a 38 ng · L−1. Finalment, la capecitabina, la bicalutamida, l’imatinib i la prednisona es preveu trobar-los a una concentració molt més baixa que els dos anteriors: les PECef varien entre 39 i 214 ng · L−1 i les PECriu, entre 1,5 i 8 ng · L−1. Només l’àcid micofenòlic i la hidroxicarbamida superen el valor de 10 ng · L−1.

Presència de citostàtics al medi aquàtic: EDAR i riu Besòs A l’aigua procedent de l’EDAR, es va detectar la presència de tres dels citostàtics amb unes PEC més elevades: l’àcid micofenòlic, la capecitabina i la prednisona (figura 3). L’àcid micofenòlic es va detectar a concentracions entre 2 539 i 1 755 ng · L−1 a l’entrada i de 1 037 a 393 ng · L−1 a la sortida. La capecitabina es va trobar a 36-79 ng · L−1 a l’entrada i a 16-34 ng · L−1 a la sortida. Finalment, la prednisona només es va detectar

3 000

Avaluació de risc Per tal de determinar si les concentracions detectades al riu suposen un risc per als organismes aquàtics, s’han comparat aquests valors amb les dades de toxicitat aguda (EC50) en Daphnia magna, escollida com a organisme model. Aquests valors es troben entre 5 i 1 795 mg · L−1, molt per sobre de les concentracions detectades al riu. Per tant, es pot concloure que les concentracions detectades no suposen un risc agut. Tanmateix, cal considerar que molts d’aquests compostos són genotòxics i, per tant, no es descarten efectes crònics a llarg termini.

Conclusions El càlcul de les PEC és una eina molt útil a l’hora de donar prioritat a compostos per al seu monitoratge posterior. L’àcid micofenòlic, el citostàtic amb la PEC més alta, s’ha detectat

90

1 000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

80

2 500

70

2 000

ng · L–1

a l’entrada, a 912-141 ng · L−1. Tots es degraden durant el tractament secundari, però no s’eliminen totalment. Consegüentment, s’aboquen a les aigües superficials. En l’estudi de vigilància ambiental del riu Besòs, es van detectar 7 citostàtics: àcid micofenòlic (8,6-656 ng · L−1), tamoxifèn (1,4-25,1 ng · L−1), ciclofosfamida (5,2-13,7 ng · L−1), ifosfamida (10,1-13,9 ng · L−1), clorambucil (1,7-4,8 ng · L−1), megestrol (6,0 ng · L−1) i erlotinib (3,9 ng · L−1). En aquest estudi, la hidroxicarbamida, la bicalutamida i l’imatinib no han estat analitzats, ja que es requereix un mètode específic per a la seva determinació analítica. A la figura 3 es poden veure les concentracions detectades dels tres compostos majoritaris a l’EDAR i al riu Besòs.

60 50

1 500

40 30

1 000

20

500

10 0

0 EDARinf

EDARef Àcid micofenòlic

riu

EDARinf

EDARef

riu

Capecitabina

Figura 3. Concentracions dels citostàtics amb PEC més elevades a l’EDAR i al riu Besòs (ng · L−1) (n = 3).

Revista Quimica 15.indd 81

EDARinf

EDARef

riu

Prednisona

81

14/12/2016 10:31:29

de manera reiterada tant a l’entrada com a la sortida d’una EDAR i al llarg del riu Besòs. Per als altres citostàtics detectats a l’EDAR, les concentracions són de l’ordre de les que s’havien predit. Al riu Besòs, les concentracions detectades són més altes que les PEC, però cal tenir en compte que el factor de dilució utilitzat per fer els càlculs (25) correspon a un valor mitjà calculat per a tot Espanya. En cas de rius més petits, com el Besòs, el factor de dilució és menor, ja que l’aigua prové principalment dels efluents de depuradora. La prioritat segons les PEC també ha permès identificar nous contaminants potencialment tòxics. Per això es recomana el monitoratge d’aquests compostos tenint en compte les PEC.

Agraïments Els autors volen agrair al CatSalut les dades de consum proporcionades, al personal de l’EDAR del Besòs i al Ministeri d’Economia i Competitivitat el suport econòmic amb el projecte CTM2014-60199-P i la beca FPI BES-2012-053000.

Referències i altres fonts [1] Generalitat de Catalunya, incidència del càncer a Catalunya: http://cancer.gencat.cat/ca/professionals/estadistiques/ incidencia [Consulta: 26 abril 2016].

[2] CatSalut, petició de dades: http://catsalut.gencat.cat/ca/ proveidors-professionals/farmacia-medicaments/ [Consulta: març 2016].

[3] Buerge, I. J.; Buser, H. R.; Poiger, T.; Müller, M. D. «Occur­ rence and fate of the cytostatic drugs cyclophosphamide and

ifosfamide in wastewater and surface waters». Environ. Sci. Technol., núm. 40 (2006), p. 7242-7250.

[4] Gómez-Canela, C.; Ventura, F.; Caixach, J.; Lacorte, S. «Occurrence of cytostatic compounds in hospital effluents and waste­ waters, determined by liquid chromatography coupled to high-resolution mass spectrometry». Anal. Bioanal. Chem., núm. 406 (2014), p. 3801-3814.

[5] Gómez-Canela, C.; Cortés-Francisco, N.; Oliva, X.; Pujol, C.; Ventura, F.; Lacorte, S.; Caixach, J. «Occurrence of cyclophosphamide and epirubicin in wastewaters by direct injection analysis-liquid chromatography-high-resolution mass spectrometry». Environ. Sci. Pollut. Res., núm. 19 (2012), p. 32103218.

[6] Besse, J. P.; Latour, J. F.; Garric, J. «Anticancer drugs in surface waters. What can we say about the occurrence and environmental significance of cytotoxic, cytostatic and endocrine therapy drugs?». Environ. Int., núm. 39 (2012), p. 73-86.

[7] Booker, V.; Halsall, C.; Llewellyn, N.; Johnson, A.; Williams, R. «Prioritising anticancer drugs for environmental monitoring and risk assessment purposes». Sci. Total Environ., núm. 473-474 (2014), p. 159-170.

[8] Martín, J.; Camacho-Muñoz, D.; Santos, J. L.; Aparicio, I.; Alonso, E. «Occurrence and ecotoxicological risk assessment of 14 cytostatic drugs in wastewater». Water, Air, Soil Pollut., núm. 225 (2014), p. 1-10.

[9] Keller, V. D. J.; Williams, R. J.; Lofthouse, C.; Johnson, A. C. «Worldwide estimation of river concentrations of any chemical originating from sewage-treatment plants using dilution factors». Environ. Toxicol. Chem., núm. 33 (2014), p. 447-452.

[10] Agència Catalana de l’Aigua: https://aca-web.gencat. cat/aca/ [Consulta: 9 juny 2015].

82

Revista Quimica 15.indd 82

14/12/2016 10:31:29

H. Franquet-Griell

F. Ventura

S. Lacorte

Helena Franquet-Griell és llicenciada en química i màster en química avançada per la Universitat de Barcelona. Actualment realitza la tesi doctoral al centre IDAEA-CSIC, sobre la presència i la degradabilitat dels fàrmacs citostàtics al medi ambient.

Francesc Ventura és doctor en química per la Universitat de Barcelona. Va ser cap del Departament de Química Orgànica Analítica a Aigües de Barcelona. Actualment és investigador visitant a l’IDAEA-CSIC. La seva recerca es basa en el desenvolupament de mètodes analítics per analitzar microcontaminants orgànics en aigua a nivells de traça, l’estudi del seu comportament en els sistemes de tractament d’aigües i la identificació de contaminants que causen problemes de gust i olor.

Sílvia Lacorte és llicenciada en biologia i doctora en química per la Universitat de Barcelona. És professora d’investigació del CSIC i la seva recerca està dirigida a l’estudi de la presència i els efectes dels contaminants orgànics en el medi ambient.

83

Revista Quimica 15.indd 83

14/12/2016 10:31:30

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 15 (2016), p. 84-91 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 DOI: 10.2436/20.2003.01.79 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

El Premi Nobel de Química 2015: els mecanismes de reparació del DNA The Nobel Prize in Chemistry 2015: the DNA-repair mechanisms Ramon Eritja Institut de Química Avançada de Catalunya (IQAC-CSIC)

Resum: La informació genètica es manté durant generacions en un ambient que pot malbaratar la seva integritat. El Premi Nobel de Química 2015 es va concedir als investigadors Tomas Lindahl, Paul Modrich i Aziz Sancar pel seus treballs en el descobriment dels mecanismes de reparació del DNA. En aquest article es detallen la importància i la repercussió dels des­ cobriments realitzats pels tres investigadors guardonats.

Paraules clau: Reparació del DNA, mutagènesi, malbaratament del DNA.

Abstract: Genetic information is maintained for generations in an environment that can damage the integrity of DNA. The Nobel Prize in Chemistry 2015 has been awarded to researchers Tomas Lindahl, Paul Modrich and Aziz Sancar for their work in the discovery of the mechanisms of DNA repair. This article details the main discoveries made by the Nobel laureates.

Keywords: DNA repair, mutagenesis, DNA damage.

Introducció

E

l Premi Nobel de Química 2015 va ser concedit conjuntament a l’investigador suec Tomas Lindahl, a l’investigador americà Paul Modrich i a l’investigador turc Aziz Sancar en reconeixença dels seus treballs en relació amb l’estabilitat i els mecanismes de reparació del DNA [1].

Els àcids nucleics són transmissors de l’herència genètica. Per dur a terme la funció del DNA, s’han de mantenir intactes 3.000 milions de nucleòtids (segons les dades del projecte del genoma humà), en un total d’aproximadament 3,7 × 1013 cèl·lules durant generacions. El DNA presenta una estructura helicoïdal de doble cadena formada per la polimerització de quatre nucleòtids diferents: dos contenen una base púrica (adenina/guanina) i dos, una base pirimidínica (timina/citosina). Quan es va determinar l’estructura del DNA, es va postular que l’alteració de la seqüència de nucleòtids del DNA o mutacions podia ser l’origen de nombroses malalties [2]. Però, en general, s’acceptava que aquesta molècula era molt estable, pràcticament immutable, ja que no s’hi observaven canvis rellevants en períodes de temps curts. No obstant això, cal indicar que existeixen petites variacions, l’acumulació de les quals durant milions d’anys pot ser la base de la diversitat dels éssers vius i de la seva adaptació al medi ambient.

84

Correspondència: Ramon Eritja Institut de Química Avançada de Catalunya (IQAC-CSIC) C. de Jordi Girona, 18-26. 08034 Barcelona Tel.: +34 934 006 145. Fax: +34 932 045 904 A/e: ramon.eritja@iqac.csic.es

Revista Quimica 15.indd 84

S’ha demostrat que el DNA és una molècula molt estable químicament, ja que, en condicions òptimes, es poden obtenir seqüències de DNA de mostres que s’han mantingut inalterades i sense contaminació de fins a 100.000 anys d’antiguitat [3]. Aquesta estabilitat ha permès l’obtenció de seqüències de genomes d’animals extingits recentment i ha permès també determinar la filogènia del llinatge humà des dels Australopithecus fins als Homo sapiens actuals. Però no ens permet aïllar genomes de restes d’organismes que van morir fa més d’un milió d’anys. És impossible determinar les seqüències del genoma dels dinosaures, ja que es van extingir fa més de 65 milions d’anys. Hem de tenir en compte, d’altra banda, que el metabolisme cel·lular i el medi ambient on vivim generen una quantitat important de substàncies químiques i agents físics que poden destruir parts del DNA. Finalment, s’ha de considerar que en el procés de duplicació del DNA es generen petits errors, l’acumulació dels quals podria suposar un perill per a la supervivència de les cèl·lules.

L’activitat dels científics guardonats, tal com es descriu en aquest article, ens ha aportat el coneixement sobre els mecanismes cel·lulars que actuen en la reparació del DNA i, per tant, ajuden a fer que els nostres genomes es mantinguin inalterats durant generacions, la qual cosa és vital per a la cèl· lula i els organismes. Els petits canvis acumulats que s’escapin d’aquests mecanismes poden provocar des de canvis evolutius fins a malalties.

L’estabilitat del DNA Tal com hem avançat en la introducció, hi ha tres fonts d’errors en el DNA:

14/12/2016 10:31:30

La inestabilitat intrínseca del DNA Un dels primers objectius de la recerca de Tomas Lindahl als anys setanta va ser determinar la inestabilitat intrínseca del DNA a base d’aïllar els productes de degradació mitjançant el marcatge radioactiu dels nucleòtids [4, 5]. Així es va determinar que la reacció de degradació més important és la hidròlisi de l’enllaç glicosídic (figura 1a). Aquesta reacció genera llocs sense la base i és molt important en el cas de les purines, que tenen un temps de semireacció de només 730 anys, mentre que les pirimidines tenen un temps de vida mitjà de 14.700 anys [4, 6]. També s’ha estimat que es generen cada hora aproximadament uns 10.000-15.000 d’aquests llocs sense base per cèl·lula.

La segona reacció en importància és la desaminació hidrolítica (figura 1b). En aquesta reacció, els grups amino exocíclics s’hidrolitzen a grups ceto. La nucleobase (base unida al nucleòtid) més inestable és la 2′-desoxicitidina (dC), que es converteix en 2′-desoxiuridina (dU) [5]. La vida mitjana de la dC en DNA de doble cadena és de 30.000-50.000 anys, i en DNA de cadena senzilla és només de 200 anys. La 2′-desoxiadenosina (dA) i la 2′-desoxiguanosina (dG) són més estables, però també poden generar productes desaminats: la 2′-desoxiinosina (dI) i la 2′-desoxixantosina (dX). És per aquesta raó que en el DNA hi ha timidina (T) en comptes d’uridina (U) (que només existeix en l’RNA), perquè d’aquesta manera es pot distingir el producte de desaminació de la dC (la dU) de la dC original en la seqüència dels nucleòtids dels genomes.

Finalment, la hidròlisi de l’enllaç fosfat és molt poc probable, ja que Lindahl va estimar que el temps de semireacció era d’aproximadament 30 milions d’anys. En canvi, l’RNA s’hidrolitza amb molta més facilitat a causa del seu hidroxil en posició 2′. Per això l’herència genètica s’emmagatzema en forma de DNA.

Figura 1. Reaccions de descomposició més freqüents en el DNA: a) hidròlisi de l’enllaç glicosídic, b) desaminació hidrolítica de la citosina per generar uracil.

d’un cop, mentre que l’altra ha de sintetitzar-se generant petits fragments contra direcció anomenats fragments d’Okazaki, que s’han de lligar posteriorment. En la duplicació del DNA es copien milers de milions de bases en minuts, i això és possible gràcies a l’acció coordinada d’un seguit de proteïnes, a més de les DNA-polimerases, incloent-hi topoisomerases, proteïnes lligadores a DNA de cadena senzilla, etc.

L’error de les DNA-polimerases durant la duplicació és un error per cada 106-108 bases (o nucleòtids) addicionades. Això implica que, cada vegada que es duplica la cèl·lula, es generin uns milers d’errors. Un petit error pot ser acceptable i, fins i tot, pot ajudar a la selecció darwiniana. Així, alguns virus, com el de la grip o el de l’hepatitis C, tenen unes DNA-polimerases poc fidels. Això augmenta la possibilitat de generar virus mutants que, si són viables, poden escapar de les defenses de l’organisme atacat en presentar unes proteïnes de la càpside diferents. Però en éssers vius complexos els errors s’han d’evitar, i per això, després de cada duplicació, hi ha d’haver un sistema de reparació dels errors generats en la duplicació.

Errors en la duplicació del DNA La duplicació del DNA comporta les etapes de desnaturalització, hibridació i polimerització. Els enzims encarregats de sintetitzar la cadena complementària són les DNA-polimerases, que utilitzen els 5′-trifosfats de nucleòsid per formar les noves cadenes. En cada etapa incorporen la base complementària seguint la direcció 3′ > 5′. Una de les cadenes se sintetitza

Revista Quimica 15.indd 85

Degradació del DNA per agents externs L’acció de la llum ultraviolada (200-400 nm) genera una reacció química entre les pirimidines que es coneix com a fotodimerització de les pirimidines (figura 2a). L’acció de les radiacions ionitzants altament energètiques (raigs X, raigs g)

85

14/12/2016 10:31:31

també genera reaccions de destrucció directa de les nucleobases o a través de la formació de radicals que acaben induint la modificació de les bases naturals.

A més d’això, l’acció de determinats compostos químics pot generar compostos no desitjats. Per exemple, l’acció dels agents alquilants del fum del tabac, gasos de guerra, quimioteràpia i fumats en general produeix una multitud de reaccions químiques de forma especial en les nucleobases (figura 2b-2c).

D’altra banda, els compostos aromàtics policondensats poden interaccionar amb l’estructura de doble hèlix i intercalar-se entre els parells de bases, de manera que impediran l’acció de topoisomerases i altres enzims.

Finalment, l’acció dels radicals lliures que provenen de les oxidacions cel·lulars, del metabolisme, del procés d’envelliment i de la contaminació pot generar un gran nombre de productes d’oxidació del DNA (figura 2d-2e). S’ha de fer ressaltar, d’altra banda, que la degradació del DNA induïda per alguns productes químics i per les radiacions s’utilitza en la teràpia del càncer, on s’intenta aturar la duplicació de les cèl·lules tumorals, ja que tenen una taxa de divisió més elevada que la de les cèl· lules sanes.

l’acumulació de canvis en el DNA d’una manera incompatible amb la vida. Aquest és el fonament del fet que existeixin mecanismes cel·lulars que reparin el DNA modificat i que són els que detallem a continuació.

Els mecanismes de reparació directes La primera evidència de l’existència dels mecanismes de reparació va ser aportada pel grup del doctor Sancar. Aquest grup va estudiar un enzim anomenat fotoliasa, que pot revertir els fotodímers de timidina (figura 2a) en presència de llum visible [7]. Aquesta activitat present en bacteris és poc important en humans, però té l’interès de ser un dels primers mecanismes de reparació directa caracteritzats.

Un altre enzim que és capaç de refer de forma directa l’alquilació de les nucleobases és la O6–alquilguanina–DNA–metiltransferasa (hAGT), que elimina directament el grup alquil de les bases modificades pels agents alquilants [8] (figura 3).

Aquest enzim té una cisteïna en el centre actiu que és capaç de reaccionar amb la O6–alquilguanina i transferir el grup alquil a la cisteïna, la qual cosa produeix la inactivació de l’enzim, que es degrada.

Els errors produïts en el DNA pels processos indicats en els paràgrafs anteriors, encara que lentament, podrien comportar

86

Revista Quimica 15.indd 86

Figura 2. Estructures dels productes més abundants de degradació del DNA: a) un dels fotodímers de timidina produïts per acció de la llum ultraviolada. Alguns dels productes d’alquilació per agents metilants: b) la O6–metilguanina i c) la O4–metil­ timidina. Alguns dels productes d’oxidació més corrents produïts per radiacions ionitzants, agents oxidants i radicals lliures: d ) la 8–oxoguanina i e) el derivat glicol de la timidina.

14/12/2016 10:31:32

Figura 3. Reparació de la O6–metilguanina per l’alquilguanina–DNA–metiltransferasa (hAGT).

El mecanisme de reparació per eliminació de la base (base excision repair, BER) A mitjan anys setanta, el grup del doctor Lindahl va descobrir un mecanisme de reparació del DNA en bacteris en el qual participen uns enzims que són capaços de diferenciar les nucleobases modificades de les bases naturals. Un cop detectades, els enzims tallen l’enllaç glicosídic entre la base modificada i la 2′-desoxiribosa. Aquests enzims, anomenats glicosilases, són específics per a cada lesió del DNA. El primer que es va aïllar va ser la uracilglicosilasa, que reconeix i talla

l’enllaç glicosídic del 2′-desoxiuracil. Aquest només pot venir de la desaminació hidrolítica de la 2′-desoxicitosina i ha de ser corregit [9, 10].

La ruptura de l’enllaç glicosídic genera un lloc sense base (figura 4) que és reconegut per l’endonucleasa de posicions mancades de base (apurinic / apyrimidinic / abasic site endonuclease, APE) [11, 12]. Aquest enzim trenca l’enllaç fosfat de l’extrem 5′ del lloc abàsic. El punt defectuós acaba essent eliminat per una fosfodiesterasa i l’espai buit generat s’omple amb la base adient (que serà citosina, en el cas del lloc abàsic generat per la uracilglicosilasa) mitjançant l’acció de les DNA-polimerases i les DNA-ligases.

Aquest és un dels mecanismes de reparació de bases mo­ dificades més important. És present en tots els éssers vius.

Avui dia es coneix una multitud de glicosilases que poden arribar a reconèixer més de cent modificacions diferents de les bases.

El mecanisme de reparació per eliminació de nucleòtids (nucleotide excision repair, NER)

Figura 4. Esquema del mecanisme de reparació per eliminació de la base (BER).

Revista Quimica 15.indd 87

En el cas de lesions voluminoses que no poden ser processades per les glicosilases, es va descobrir un nou mecanisme de reparació que s’anomenà mecanisme de reparació per eliminació de nucleòtids (NER) (figura 5). En aquest mecanisme, descobert en bacteris pel grup del doctor Sancar, hi participen les proteïnes UvrA, UvrB, UvrC i UvrD [13].

87

14/12/2016 10:31:35

acabaven amb l’eliminació de la base modificada i la introducció de la base o les bases correctes. Hem dit que, durant la duplicació del DNA, es produeix un seguit d’errors que generen aparellaments erronis. La reparació dels aparellaments erronis té una dificultat afegida. Un cop reconegut l’error, el sistema de reparació ha de detectar quina és la cadena defectuosa que ha de reparar, perquè en aquest cas totes les bases són naturals. Per això es necessita un sistema de reconeixement de la cadena que ha actuat de motllo i de la cadena que s’ha sintetitzat de novo, que és la que es repararà.

El mecanisme de reparació dels aparellaments erronis en bacteris va ser determinat pel grup del doctor Modrich en un treball arquetípic pel que fa a la preparació dels plasmidis model que havien de contenir els aparellaments erronis i els senyals de metilació [14]. Aquest mecanisme necessita l’acció combinada de les proteïnes MutH, MutL, MutS i UvrD, i la metilació del DNA és el senyal que indica quina és la cadena que s’ha utilitzat com a motllo en la duplicació. Les proteïnes MutS i MutL detecten la presència d’aparellaments erronis, i la proteïna MutH comunica al complex format per MutS i MutL quina és la cadena metilada (motllo) i quina és la sintetitzada de novo que s’ha d’eliminar (figura 6).

Figura 5. Esquema del sistema de reparació per eliminació de nucleòtids (NER) en E. coli descrit per Aziz Sancar (hAGT).

Un complex format per dues unitats d’UvrA i UvrB recorre el DNA i reconeix la lesió. En unir-se a la lesió, les dues unitats d’UvrA s’alliberen i es produeix el primer tall a unes 6-7 bases per sobre de la lesió. UvrC s’uneix a UvrB i, amb l’ajut de la DNA-helicasa II (UvrD), fan el segon tall i alliberen la cadena de DNA defectuosa. La DNA-polimerasa I (Pol I) i les DNA-ligases refan la seqüència eliminada. El treball de Sancar es va fer en el període 1973-1983. El que en bacteris necessita tres proteïnes, necessita setze proteïnes en humans (Xeroderma pigmentosum).

El mecanisme de reparació dels aparellaments erronis (mismatch repair, MR) 88

Fins ara, els mecanismes de reparació del DNA que hem explicat tenien una primera fase de localització de la modificació química que iniciava una sèrie de reaccions químiques que

Revista Quimica 15.indd 88

L’any 2004, Modrich va demostrar que hi havia un mecanisme similar al descrit per als bacteris en humans, però, en aquest cas, no és la metilació del DNA que dirigeix la reparació [15].

Probablement la formació de nicks durant la duplicació o la presència de ribonucleòtids formats transitòriament en el procés de duplicació podria dirigir la reparació selectiva d’una de les cadenes [16]. D’altra banda, s’han trobat factors similars als MutS i MutL en humans. Les mutacions en les seqüències que codifiquen per aquests factors causen càncer hereditari [17], fet que confirma l’existència d’un sistema de reparació d’aparellament erroni similar al bacterià.

Conclusions Tal com s’ha indicat al principi, fins a la publicació dels treballs exposats en els paràgrafs anteriors, es creia que el DNA era immutable. En realitat, no és així, ja que la longitud de la doble cadena helicoïdal, la reactivitat dels components dels nucleòtids que formen el DNA i el procés de la duplicació ho fan estadísticament impossible. De fet, el DNA pateix un atac constant d’una llarga llista d’agents físics i químics que posen

14/12/2016 10:31:37

Figura 6. Esquema del mecanisme de reparació dels aparellaments erronis (MR).

en perill la seva funció de transmissió de la informació genètica. Per aquesta raó, els éssers vius han desenvolupat una sèrie de mecanismes de reparació del DNA que són absolutament necessaris per a la supervivència.

El coneixement dels mecanismes de destrucció i de reparació del material genètic ens ajuda a entendre la fragilitat del genoma, la importància dels mecanismes que el reparen, l’equilibri entre un cert grau de mutacions i el manteniment íntegre del genoma. A més a més, ens pot ajudar a determinar quins hàbits són més saludables i a dissenyar medicaments que tinguin el DNA com a diana terapèutica, per exemple, en el tractament del càncer.

Els coneixements aportats per Tomas Lindahl, Paul Modrich i Aziz Sancar també ens ajuden a classificar i entendre malalties hereditàries generades per mutacions en els gens de reparació tals com, per exemple, el Xeroderma pigmentosum, detectat en pacients que tenen el sistema de reparació per eliminació de nucleòtids (NER) defectuós, i en alguns càncers hereditaris detectats en pacients amb el mecanisme de reparació dels aparellaments erronis (MR) defectuós.

Revista Quimica 15.indd 89

Finalment, una de les conseqüències dels tractaments del càncer és la selecció de cèl·lules tumorals resistents a la quimioteràpia a causa d’una sobreexpressió dels enzims implicats en la reparació del DNA. Aquesta sobreexpressió és una de les raons de les aparicions de resistències als medicaments antitumorals. El coneixement de l’estructura de les proteïnes implicades en la reparació del DNA permet el disseny d’inhibidors que poden ser utilitzats com a coadjuvants en la quimioteràpia. El primer exemple d’un fàrmac basat en la inhibició d’una proteïna implicada en la reparació del DNA és l’Olaparib, que és un inhibidor de la poli (ADP-ribosa) polimerasa (PARP). Aquest descobriment ha despertat l’interès dels investigadors per la recerca d’inhibidors de les proteïnes implicades en la reparació del DNA [18].

Agraïments Vull agrair a Carme Fàbrega i a Elisenda Olivella l’ajut en la preparació d’aquest manuscrit, així com al Ministeri d’Economia i Competitivitat els ajuts a la recerca (projectes CTQ201020541-C03 i CTQ2014-52588-R).

89

14/12/2016 10:31:38

Referències i altres fonts [1] Nobelprize.org. The official web site of the Nobel Prize: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/ 2015/ [Consulta: 5 març 2016].

[2] Watson, J. D.; Crick, F. H. C. «A structure for deoxyribose nucleic acid». Nature, núm. 171 (1953), p. 737-738.

[3] Hofreiter, M.; Serre, D.; Poinar, H. N.; Kuch, M.; Päabo, S. «Ancient DNA». Nat. Rev. Genet., núm. 2 (2001), p. 353-359.

[4] Lindahl, T.; Nyberg, B. «Rate of depurination of native deoxyribonucleic acid». Biochemistry, núm. 11 (1972), p. 3610-3618.

[5] Lindahl, T.; Nyberg, B. «Heat-induced deamination of cytosine residues in deoxyribonucleic acid». Biochemistry, núm. 13 (1974), p. 3405-3410.

[6] Lindahl, T. «Instability and decay of the primary structure of DNA». Nature, núm. 362 (1993), p. 709-715.

[7] Sancar, G. B.; Smith, F. W.; Reid, R.; Payne, G.; Levy, M.; Sancar, A. «Action mechanism of Escherichia coli DNA photoliase.

I. Formation of the enzyme-substrate complex». J. Biol. Chem., núm. 262 (1987), p. 492-498.

[8] Graves, R. J.; Li, B. F.; Swann, P. F. «Repair of O6–methylguanine, O6–ethylguanine, O6–isopropylguanine and O4–methyl­ thymine in synthetic oligodeoxynucleotides by Escherichia coli ada gene O6–alkylguanine–DNA–alkyltransferase». Carcinogen­ esis, núm. 10 (1989), p. 661-666.

[9] Lindahl, T. «An N-glycosidase from Escherichia coli that releases free uracil from DNA containing deaminated cytosine

residues». Proc. Natl. Acad. Sci. USA, núm. 71 (1974), p. 36493653.

[10] Lindahl, T. «New class of enzymes acting on damage DNA». Nature, núm. 259 (1976), p. 64-66.

[11] Verly, W. G.; Paquette, Y. «An endonuclease for depurinat­ ed DNA in Escherichia coli B». Can. J. Biochem., núm. 50 (1972), p. 217-224.

[12] Verly, W. G.; Paquette, Y.; Thibodeau, L. «Nuclease for DNA apurinic sites may be involved in the maintenance of DNA in normal cells». Nat. New Biol., núm. 244 (1973), p. 67-69.

[13] Petit, C.; Sancar, A. «Nucleotide excision repair: from E. Coli to man». Biochemie, núm. 81 (1999), p. 15-25.

[14] Lahue, R. S.; Au, K. G.; Modrich, P. «DNA mismatch correction in a defined system». Science, núm. 245 (1989), p. 160-164.

[15] Dzantiev, L.; Constantin, N.; Genschel, J.; Iyer, R. R.; Burgers, P. M.; Modrich, P. «A defined human system that supports bidirectional mismatch-provoked excision». Mol. Cell., núm. 15 (2004), p. 31-41.

[16] Lujan, S. A.; Williams, J. S.; Clausen, A. R.; Clark, A. B.; Kunkel, T. A. «Ribonucleotides are signals for mismatch repair of leading-strand replication errors». Mol. Cell., núm. 50 (2013), p. 437-443.

[17] Fishel, R.; Lescoe, M. K.; Rao, M. R.; Copeland, N. G.; Jenkins, N. A.; Garber, J.; Kane, M.; Kolodner, R. «The human mutator gene homolog MSH2 and its association with hereditary nonpolyposis colon cancer». Cell, núm. 75 (1993), p. 1227-1236.

[18] O’Connor, M. J. «Targeting the damage response in cancer». Mol. Cell., núm. 60 (2015), p. 547-560.

90

Revista Quimica 15.indd 90

14/12/2016 10:31:38

R. Eritja

Ramon Eritja és llicenciat en química (1977) i en farmàcia (1983) per la Universitat de Barcelona, i va realitzar la tesi doctoral en l’àrea de la síntesi de pèptids sota la direcció del doctor Ernest Giralt (1983). Després de diverses estades postdoctorals al Beckman Research Institute of City of Hope (Duarte, CA, EUA) i a les universitats de Colorado (Boulder, CO, EUA) i de Barcelona, es va incorporar al Centre d’Investigació i Desenvolupament (CID-CSIC) a Barcelona (1989). L’any 1994 va dirigir un grup de recerca al European Molecular Biology Laboratory (EMBL) (Heidelberg, Alemanya), i va tornar al CSIC l’any 1999.

Va formar part de l’Institut de Recerca Biomèdica (IRB) de Barcelona fins al 2012. Actualment, la seva activitat de recerca se centra en la química dels àcids nucleics i és director de l’Institut de Química Avançada de Catalunya (IQAC-CSIC).

91

Revista Quimica 15.indd 91

14/12/2016 10:31:38

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 15 (2016), p. 92-99 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 DOI: 10.2436/20.2003.01.80 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Nova ruta sintètica per a l’obtenció de piridazinones N-arilades a partir de sals d’arildiazoni New synthetic route to N-arylated pyridazinones from aryldiazonium salts Daniel Cassú, Ouissam El Bakouri, Miquel Solà, Anna Pla-Quintana i Anna Roglans Universitat de Girona. Institut de Química Computacional i Catàlisi (IQCC) Universitat de Girona. Departament de Química

Resum: Les piridazinones són compostos orgànics que es troben en molts fàrmacs, en pesticides i en productes naturals amb activitat biològica. Fins al moment, s’ha publicat un nombre considerable de rutes sintètiques sobre l’obtenció de piridazinones, tot i que sols unes poques descriuen formes eficients de preparar piridazinones N-arilades. A diferència dels mètodes publicats a la bibliografia, en què se solen utilitzar condicions de reacció dràstiques o catalitzadors metàl·lics, el present treball proposa una nova ruta per a l’obtenció de piridazinones N-arilades mitjançant l’ús de sals d’arildiazoni i derivats de furan sota condicions de reacció suaus, incloent-hi l’aigua com a dissolvent. Les sals de diazoni són compostos de gran reactivitat, la qual cosa representa un avantatge important pel que fa a l’eficiència del procés. L’elucidació del mecanisme de la reacció s’ha dut a terme emprant càlculs DFT i s’ha confirmat amb la realització de proves empíriques.

Paraules clau: Piridazinones N-arilades, sals d’arildiazoni, càlculs DFT.

Abstract: Pyridazinones are organic compounds that are commonly found in drugs, pesticides, and natural products with biological activity. To date, a considerable number of synthetic routes to obtain pyridazinones have been published although only a few have described efficient pathways to prepare N-arylated pyridazinones. In contrast to methods found in literature in which strong reaction conditions or metallic catalysts are employed, this study proposes a new route to obtain N-arylated pyridazinones using aryldiazonium salts and furan derivatives in mild reaction conditions with water as the solvent. Diazonium salts are highly reactive compounds and so their use results in an important gain in terms of the efficiency of the process. The reaction mechanism is elucidated by DFT calculations and confirmed by empirical tests.

Keywords: N-arylated pyridazinones, aryldiazonium salts, DFT calculations.

Introducció

L

es piridazin–3(2H)–ones són estructures orgàniques cícliques constituïdes per un anell de sis membres amb dos àtoms de nitrogen contigus seguits d’un grup carbonil. Es poden trobar freqüentment en compostos biològicament actius [1], per la qual cosa són d’una especial rellevància en la indústria farmacèutica i en la preparació de pesticides. A tall d’exemple, el compost de la figura 1 comprèn un anell de piridazinona enllaçat a una estructura basada en naftalè i és comunament emprat per al tractament de desordres cognitius relacionats amb el sistema nerviós central [2].

ment dues estratègies sintètiques: a) processos basats en la N-arilació dels anells de piridazinona ja construïts, i b) processos basats en la formació de novo de l’anell de piridazinona.

En el primer cas, la N-arilació es duu a terme mitjançant catàlisi de sals de coure. El procés, essencialment, consisteix en la funcionalització d’un anell de piridazin–3–ona amb iodurs o bromurs aromàtics (esquema 1) [3].

D’acord amb els precedents trobats a la bibliografia sobre la preparació de N-arilpiridazinones, es poden definir bàsica-

92

Correspondència: Daniel Cassú Ponsatí Universitat de Girona. Institut de Química Computacional i Catàlisi (IQCC) C. de Maria Aurèlia Capmany, 69. 17003 Girona Tel.: +34 972 418 275. Fax: +34 972 418 150 A/e: daniel.cassu@udg.edu

Revista Quimica 15.indd 92

Figura 1. Derivat de piridazinona amb activitat biològica.

14/12/2016 10:31:39

Esquema 1. Funcionalització d’un anell de piridazin–3–ona.

L’avantatge principal d’aquest mètode és que l’anell de piridazinona no substituït és comercial. No obstant això, es necessiten unes condicions de reacció dràstiques, com ara altes temperatures de reacció, per tal que es generi el producte desitjat amb uns bons rendiments.

Alternativament, els mètodes de tancament d’anell són més variats i pretenen fer la síntesi de novo de l’heterocicle. En termes generals, les estratègies d’aquest tipus parteixen d’hidrazines o arilhidrazines per dur a terme la conversió [4]. Una possibilitat és la ciclocondensació d’una hidrazina amb compostos 1,4–difuncionalitzats (esquema 2).

Similarment, una ciclocondensació també pot portar a la piridazinona esperada a partir d’arilhidrazones i compostos amb metilè actiu (cianoacetat d’etil o malononitril) (esquema 3).

Novament, l’inconvenient més gran que sorgeix seguint aquestes estratègies sintètiques és que es necessiten unes temperatures elevades o unes bases fortes. Així mateix, cal destacar que els reactius, generalment, han de ser preparats in situ, perquè són inestables o no són comercials.

Esquema 2. Ciclocondensació d’hidrazines i compostos 1,4–difuncionalitzats.

Revista Quimica 15.indd 93

Davant d’aquests precedents, el nostre grup de recerca ha des­ envolupat un nou mètode per a la preparació de piridazin–3(2H)–ones, el qual es caracteritza per l’ús de condicions de reacció suaus a partir de sals d’arildiazoni i 2–furantrifluoroborat de potassi. L’estudi ha comprès l’avaluació de la generalitat del procés i la realització de proves específiques per tal d’elucidar el mecanisme del nou procés.

Resultats Una de les línies de recerca del nostre grup es basa en l’estudi de reaccions d’acoblament creuat catalitzades per pal·ladi emprant sals d’arildiazoni com a agents electrofílics i organotri­ fluoroborats en medi aquós [5]. En aquest context, quan es va intentar dur a terme la reacció entre el tetrafluoroborat de 4–acetilbenzendiazoni 1a i 2–furantrifluoroborat de potassi 2 en presència de PdCl2(CH3CN)2 com a catalitzador i aigua com a dissolvent (condicions A de l’esquema 4), no es va obtenir el producte esperat 4, sinó que es va generar el derivat de piridazinona 3a amb un rendiment del 60 % (esquema 4).

Tenint en compte aquest resultat inesperat, es va dur a terme la reacció en absència del catalitzador de pal·ladi (condicions B de l’esquema 4) i es va obtenir la piridazinona 3a amb un rendiment similar (56 %).

Veient que podíem desenvolupar un nou mètode eficient i suau per a la síntesi de novo de piridazinones N-arilades, ens vam centrar en l’optimització del nou procés. Com a reacció model, vam utilitzar l’acoblament entre el tetrafluoroborat de p-acetilbenzendiazoni 1a i el 2–furantrifluoroborat de potassi 2.

Es van avaluar diversos dissolvents, temperatures de reacció, relacions estequiomètriques dels reactius i l’efecte de diferents additius (taula 1).

93

14/12/2016 10:31:40

Esquema 3. Ciclocondensació d’arilhidrazones i compostos amb metilè actiu.

El primer paràmetre que es va avaluar va ser la relació estequiomètrica entre els dos reactius. Quan es va utilitzar una relació 1:1, es va obtenir un 53 % de rendiment de 3a després de 3 h (entrada 1). Amb un excés de la sal d’arildiazoni (2:1), el rendiment va baixar al 35 % després de 20 h (entrada 2). Quan es va emprar un excés de 2–furantrifluoroborat de potassi 2 (1:2), el rendiment va augmentar fins al 67 % en només 5 min (entrada 3).

Quan es va reduir l’excés 2 a 1:1,2 i es va disminuir la temperatura a 0-5 °C, el rendiment obtingut va ser similar (66 %), tot i que amb un temps de reacció més gran (20 min) (entrada 4). Tenint en compte que es va observar que el pH del medi de reacció era altament acídic al final de la reacció, es va provar l’efecte que tenia l’addició d’una base [6]. L’addició d’un excés de tBuOK va resultar en descomposició (entrada 5), de manera que es va intentar utilitzar una base més feble, com AcONa. Aquesta prova va proporcionar un 47 % de rendiment de 3a (entrada 6). Emprant només 1,2 eq. de AcONa, el rendiment era el mateix que sense base (compareu l’entrada 4 i l’entrada 7). D’acord amb aquests resultats, vam concloure que no es necessitava base.

Addicionalment, quan es va dur a terme la reacció en dissolvents diferents de l’aigua, com etanol o acetonitril, es van detectar subproductes no desitjats i que no es van caracteritzar.

94

Revista Quimica 15.indd 94

En aquest punt, es va concloure que les millors condicions de reacció trobades corresponien a les de l’entrada 4: 1 equiv. d’1a, 1,2 equiv. de 2, aigua destil·lada com a dissolvent i entre 0 i 5 °C de temperatura.

Tot seguit, es va procedir a estudiar l’abast de la reacció en qüestió. L’anàlisi va comprendre la introducció de substituents de naturalesa electrònica diferent en l’anell aromàtic de la sal de diazoni. Les diferents piridazinones sintetitzades es mostren a la figura 2.

Com a tendència general, els substituents electró-atraient afavoreixen el rendiment del derivat de piridazinona 3 i, al mateix temps, el temps de reacció és més breu. Per exemple, prenent els resultats en què la sal de diazoni té un substituent NO2 en para- (3b) i orto- (3c) i els del cas no substituït (3f ), podem observar que, gràcies a l’efecte electró-atraient del grup nitro, els temps de reacció van ser de 5 min i van proporcionar un 58 % i un 78 % de rendiment, respectivament. D’altra banda, quan no es troba cap substituent enllaçat a l’anell aromàtic de la sal de diazoni, el temps de reacció va esdevenir de 90 min i es va obtenir un 63 % de rendiment. Quan el

Esquema 4. Reaccions provades a l’inici de l’estudi.

14/12/2016 10:31:41

Taula 1. Optimització[a]

Entrada

Relació 1a:2

Condicions de reacció

Rendiment de 3a (%)

1

1:1

25 °C, 3 h

53

2

2:1

25 °C, 20 h

35

3

1:2

25 °C, 5 min

67

4

1:1,2

0-5 °C, 20 min

66

5

1:1,2

BuOK (5 eq.), 0-5 °C, 2 h

0

6

1:1,2

AcONa (5 eq.), 0-5 °C, 20 min

47

7

1:1,2

AcONa (1,2 eq.), 0-5 °C, 20 min

67

t

Procediment experimental: es va afegir 1a (0,107 M) dissolt en H2O a una solució en agitació de 2 (en 6 mL de H2O) i es va protegir el baló de la llum [7]. [a]

substituent en posició para- és un halogen, com iode (3d ) o fluor (3e), es van registrar resultats intermedis, ja que l’efecte electró-atraient és més gran que quan no hi ha substituent i més petit que quan s’usa el grup nitro. En relació amb els substituents para-, meta-, orto-CH3 (3g, 3h i 3i ) i p-OCH3 (3j ), l’efecte electró-donador tendeix a donar uns resultats menys bons, ja que els rendiments registrats van ser inferiors als dels primers casos. En conjunt, l’eficiència del procés semblaria estar governada per l’efecte de la naturalesa electrònica del substituent i es podria correlacionar amb el paràmetre teòric σ de les correlacions de Hammett [8].

Per tal d’aportar informació quantitativa sobre la cinètica de la reacció, es va monitorar l’augment progressiu de la concentració de 3 per a diversos casos: p-COCH3, p-F, p-H i p-OCH3, a través de cromatografia de gasos (GC). L’aplicació de l’equa-

Figura 2. Síntesi de piridazinones N-arilades 3. Condicions de reacció: addició d’1 (0,42 mmol, 1 eq.) dissolt en H2O (4 mL) a una solució aquosa (6 mL) en agitació de 2 (0,51 mmol, 1,2 eq.), a 0-5 °C, en un baló protegit de la llum.

Revista Quimica 15.indd 95

95

14/12/2016 10:31:42

Esquema 5. Perfil de reacció calculat amb el mètode M06-2X/6-31++G(d,p), incloent-hi l’efecte de la solvatació en aigua mitjançant un mètode PCM i amb dues molècules d’aigua incloses explícitament. Els valors numèrics són energies de Gibbs (kcal/mol) a 25 °C.

ció d’Arrhenius ens va permetre trobar els valors de les energies d’activació, que corroboren els temps de reacció i els rendiments trobats experimentalment: 5,50 kcal/mol per al cas p-COCH3, 6,90 kcal/mol per a p-F, 7,41 kcal/mol per al cas no substituït (p-H) i 8,62 kcal/mol per a p-OCH3.

A banda de l’estudi experimental presentat, el projecte també va incloure la presentació d’una proposta de mecanisme de reacció per part d’Ouissam El Bakouri basada en càlculs DFT i que es troba representada a l’esquema 5.

El mecanisme involucra un atac nucleofílic del derivat de furan 2 sobre la sal de diazoni 1. Després d’això, una molècula d’aigua externa podria formar adductes amb un dels nitrògens integrants del grup diazo i el focus carbocatiònic de l’anell. Aquesta hidratació generaria I···H2O i podria evolucionar fins a II. Una obertura posterior de l’anell proporcionaria l’intermedi III. Tot seguit, el sistema podria evolucionar cap a l’intermedi IV gràcies a un atac nucleofílic d’un nitrogen del grup diazo de III sobre el

96

Revista Quimica 15.indd 96

doble enllaç de l’altre extrem de la cadena carbonatada. En aquest nou intermedi, el grup BF3 es pot perdre favorablement, la qual cosa conduirà a l’intermedi V. Una nova molècula d’aigua formaria adductes amb un oxigen dels dos grups carboxílics presents a V···H2O i facilitaria una deshidratació, així com la formació d’un grup carbonílic contigu als dos nitrògens (producte 3).

En l’àmbit empíric, el mecanisme va ser corroborat duent a terme experiments amb aigua marcada isotòpicament. En emprar D2O, no es va observar la inclusió de deuteri al producte final.

Contràriament, quan es va utilitzar H218O, sí que es va apreciar l’augment de dues unitats de la massa del producte (esquema 6).

La incorporació d’oxigen, i no d’hidrogen, procedent del dissolvent es troba en consonància amb la proposta mecanística representada a l’esquema 5.

Addicionalment, també es va optar per la intercepció d’intermedis de reacció per espectrometria de masses amb ionització

Esquema 6. Reacció emprant H218O.

14/12/2016 10:31:43

per electroesprai (ESI-MS) [9]. Sobre la base de la massa dels pics observats i de les fragmentacions detectades, es va confirmar empíricament l’existència dels intermedis I i IV proposats, la qual cosa és una evidència més que el mecanisme involucra l’atac nucleofílic del derivat de furan sobre la sal de diazoni i el procés de deshidratació [10].

Conclusions S’ha demostrat que es poden preparar eficientment els compostos N-arilpiridazin–3(2H)–ones 3 a través de la ciclocondensació de 2–furantrifluoroborat de potassi 2 i d’un ampli rang de tetrafluoroborats d’arildiazoni 1 sota condicions de reacció suaus. El mètode és senzill, ràpid i favorable en relació amb el medi ambient, ja que no s’utilitzen catalitzadors ni additius i s’empra aigua com a dissolvent.

Agraïments Voldríem agrair el suport financer rebut des del Ministeri d’Economia i Competitivitat (MINECO, CTQ2014-54306-P) i des de la Generalitat de Catalunya (2014SGR931 i les beques predoctorals FI a Daniel Cassú i Ouissam El Bakouri).

Referències i altres fonts [1] a) Patel, H. V.; Vyas, K. A.; Pandey, S. P.; Tavares, F.; Fernandes, P. S. «A new and convenient synthesis of 3(2H)-pyridazinones by reacting carbanion of ethyl trimethylsilylacetate with phenylhydrazones». Synth. Commun., núm. 21 (1991), p. 10211026. b) Costas, T.; Besada, P.; Piras, A.; Acevedo, L.; Yañez, M.; Orallo, F.; Laguna, R.; Terán, C. «New pyridazinone derivatives with vasorelaxant and platelet antiaggregatory activities».

Bioorg. Med. Chem. Lett., núm. 20 (2010), p. 6624-6627.

[2] Pu, Y.-M.; Ku, Y.-Y.; Grieme, T.; Black, L. A.; Bhatia, A. V.; Cowart, M. «An expedient and multikilogram synthesis of a naphthalenoid H3 antagonist». Org. Process Res. Dev., núm. 11 (2007), p. 1004-1009.

[3] a) Pu, Y.-M.; Ku, T.-Y.; Grieme, T.; Henry, R.; Bhatia, A. V. «An efficient copper-catalyzed N-arylation of pyridazinones with a structurally well-defined copper complex». Tetrahedron Lett., núm. 47 (2006), p. 149-153. b) Cristau, H.-J.; Cellier, P. P.; Spindler, J.-F.; Taillefer, M. «Highly efficient and mild

Revista Quimica 15.indd 97

copper-catalyzed N- and C-arylations with aryl bromides and iodides». Chem. Eur., núm. 10 (2004), p. 5607-5622. c) Filipski, K. J.; Kohrt, J. T.; Casimiro-Garcia, A.; Huis, C. A. van; Dudley, D. A.; Cody, W. L.; Bigge, C. F.; Desiraju, S.; Sun, S.; Maiti, S. N.; Jaber, M. R.; Edmunds, J. J. «A versatile copper-catalyzed coupling reaction of pyridin–2(1H)–ones with aryl halides». Tetrahedron Lett., núm. 47 (2006), p. 7677-7680.

[4] a) Meenakshi, C.; Ramamoorthy, V.; Muthusubramanian, S.; Sivasubramanian, S. «Microwave assisted synthesis of 4,6–diarylpyridazin–3(2H)–ones in solid state». Synth. Commun., núm. 31 (2001), p. 645-651. b) Johnston, K. A.; Allcock, R. W.; Jian, Z.; Collier, I. D.; Blakli, H.; Roseair, G. M.; Bailey, P. D.; Morgan, K. M.; Kohno, Y.; Adams, D. R. «Concise routes to pyrazolo[1,5–a] pyridin–3–yl pyridazin–3–ones». Org. Biomol. Chem., núm. 6 (2008), p. 175-186. c) Urbano, M.; Guerrero, M.; Zhao, J.; Velaparthi, S.; Saldanha, S. A.; Chase, P.; Wang, Z.; Civelli, O.; Hodder, P.; Schaeffer, M.-T.; Brown, S.; Rosen, H.; Roberts, E. «Design, synthesis and SAR analysis of novel potent and selective small molecule antagonists of NPBWR1 (GPR7)». Bioorg. Med. Chem. Lett., núm. 22 (2012), p. 7135-7141. d) Zhang, J.; Das Sarma, K.; Curran, T. T. «Recent progress in the chemistry of mucohalic acids: versatile building blocks in organic synthesis». Synlett., núm. 24 (2013), p. 550-569. e) Al-Saleh, B.; Hilmy, N. M.; El-Apasery, M. A.; Elnagdi, M. H. «Microwaves in organic synthesis: synthesis of pyridazinones, phthalazinones and pyridopyridazinones from 2–oxo–arylhydrazones under microwave irradiation». J. Heterocyclic Chem., núm. 43 (2006), p. 1575-1581. f ) Mohamed, N. R.; El-Saidi, M. M. T.; Ali, Y. M.; Elnagdi, M. H. «Microwaves in organic synthesis: facile synthesis of biologically active pyridazinone and iminopyridazine derivatives». J. Heterocyclic Chem., núm. 44 (2007), p. 1333-1337.

[5] a) El Bakouri, O.; Fernández, M.; Brun, S.; Pla-Quintana, A.; Roglans, A. «A simple catalytic system based on PdCl2(CH3CN)2 in water for cross-coupling reactins using diazonium salts».

Tetrahedron, núm. 69 (2013), p. 9761-9765. b) Raduán, M.; Padrosa, J.; Pla-Quintana, A.; Parella, T.; Roglans, A. «Functionalization of the 3-position of thiophene and benzo[b]thiophene moieties by palladium-catalyzed C–C bond forming reactions using diazonium salts». Adv. Synth. Catal., núm. 353 (2011), p. 2003-2012. c) Salabert, J.; Sebastián, R. M.; Vallribera, A.; Roglans, A.; Nájera, C. «Fluorous aryl compounds by Matsuda-Heck reaction». Tetrahedron, núm. 67 (2011), p. 8659-8664.

[6] Lennox, A. J. J.; Lloyd-Jones, G. C. «Organotrifluoroborate hydrolysis: boronic acid release mechanism and an acid-base paradox in cross-coupling». J. Am. Chem. Soc., núm. 134 (2012), p. 7431-7441.

97

14/12/2016 10:31:43

[7] Hari, D. P.; König, B. «The photocatalyzed Meerwing arylation: classic reaction of aryl diazonium salts in a new light». Angew. Chem. Int. Ed., núm. 52 (2013), p. 47344743.

[8] Llista completa dels paràmetres σ disponible a: Hansch, C. «A survey of Hammett substituent constants and resonance and field parameters». Chem Rev., núm. 91 (1991), p. 165195.

[9] a) Cole, R. B. Electrospray ionization mass spectrometry: Fundamentals, instrumentation and applications. Nova York: Wiley, 1997. b) Santos, L. S. Reactive intermediates: MS investigations in solution. Weinheim: Wiley-VCH, 2010.

[10] El Bakouri, O.; Cassú, D.; Solà, M.; Parella, T.; Pla-Quintana, A.; Roglans, A. «A new mild synthetic route to N-arylated pyri­ dazinones from aryldiazonium salts». Chem. Commun., núm. 50 (2014), p. 8073-8076.

98

Revista Quimica 15.indd 98

14/12/2016 10:31:43

D. Cassú

A. Roglans

O. El Bakouri

M. Solà

A. Pla-Quintana

Daniel Cassú va néixer a Girona el 1991 i és graduat en química per la Universitat de Girona (UdG) (2013). Va realitzar el màster en catàlisi avançada i modelització molecular i actualment realitza el doctorat en química a la UdG, sota la direcció de la professora Anna Roglans i la doctora Anna Pla-Quintana.

Ouissam El Bakouri va néixer al Marroc el 1990 i és llicenciat en química per la Universitat de Girona (UdG) (2012). Va realitzar el màster en química teòrica i computacional i actualment realitza el doctorat en química a la UdG, sota la direcció del professor Miquel Solà, el doctor Jordi Poater i el doctor Ferran Feixas.

Miquel Solà és doctor en química (1991) per la Universitat Autònoma de Barcelona i catedràtic de química física del Departament de Química de la Universitat de Girona. La seva recerca utilitza eines de la química teòrica i computacional per estudiar l’enllaç químic, l’aromaticitat, la deslocalització electrònica i la reactivitat química orgànica i organometàl·lica.

Anna Pla-Quintana és doctora en química (2004) per la Universitat de Girona i professora agregada de l’Àrea de Química Orgànica del Departament de Química de la mateixa universitat. La seva recerca se centra en el desenvolupament de pro­ cessos catalitzats per metalls de transició i en l’estudi dels mecanismes involucrats en aquests processos.

Anna Roglans és doctora en química (1994) per la Universitat Autònoma de Barcelona i catedràtica de química orgànica del Departament de Química de la Universitat de Girona. Coordina el grup de recerca METSO, que es dedica a l’estudi metodològic i mecanístic de l’ús de metalls de transició en síntesi orgànica.

99

Revista Quimica 15.indd 99

14/12/2016 10:31:44

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 15 (2016), p. 100-102 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Químics catalans al món: Carina Arasa Cid Elsevier, Amsterdam (Països Baixos)

La doctora Carina Arasa Cid i la seu d’Elsevier a Amsterdam.

Trajectòria científica i professional

C

arina Arasa Cid (Santa Bàrbara, 1979) va estudiar física a la Universitat de Barcelona (1997-2002). Durant l’últim any de carrera, va realitzar una estada Erasmus a Grenoble, al grup de la professora Rose-Marie Galera de l’Institut Néel del Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS). Aquesta va ser la primera experiència que Carina va tenir en un altre país, amb una altra llengua i realitzant el primer treball de recerca.

Va ser una col·laboració molt bonica, inclús li van oferir realitzar una tesi doctoral al mateix laboratori. Però Carina va decidir que era massa aviat per deixar Catalunya, així que, un cop va acabar la llicenciatura en física, va realitzar la tesi doctoral (2002-2007) al Departament de Química Física de la Universitat de Barcelona. La seva tesi doctoral va ser dirigida pel professor Ramón Sayós Ortega, que justament havia iniciat un projecte de recerca centrat en les interaccions de gasos i una superfície sòlida. Així, doncs, durant els anys de la tesi doctoral, Carina va estudiar des del punt de vista teòric algunes de les reaccions produïdes en les superfícies dels vehicles espacials que tenen lloc durant la reentrada a l’atmosfera de la Terra (78 % N2, 21 % O2, 1 % Ar). Aquests vehicles adquirei-

Correspondència: Carina Arasa Cid Elsevier Radarweg 29, 1043 NX Amsterdam, The Netherlands 100 Tel.: +31 204 852 268 A/e: c.arasacid@elsevier.com

Revista Quimica 15.indd 100

xen velocitats entre 22 i 30 cops la velocitat del so, amb temperatures entre 500 i 1 600 K en diferents parts de la nau. En particular, la seva tesi es va centrar en l’estudi dut a terme per primera vegada de les reaccions amb O i N atòmics (ja que les espècies moleculars es dissocien en col·lidir amb les naus espacials) sobre superfícies sòlides del tipus SiO2 [1]. Durant els estudis doctorals, va tenir l’oportunitat de col·laborar amb el grup del professor Fabio Busnengo de la Universitat Nacional de Rosario (Argentina), on va aprendre a construir superfícies d’energia potencial, diferents mètodes d’interpolació i a programar simulacions de dinàmica molecular a través de trajectòries quasiclàssiques [2, 3]. El 30 de novembre de 2007, va defensar la tesi doctoral amb el títol Kinetics and dynamics study of the oxygen Eley-Rideal reaction on β-cristobalite (100) surface.

L’any 2008, inicià una estada postdoctoral al Departament de Química Física de la Universitat d’Hèlsinki (Finlàndia). Sota la supervisió del professor Lauri Halonen, va estudiar les energies d’adsorció i desorció de l’aigua sobre l’α-quars des d’un punt de vista teòric, així com el càlcul de les constants de velocitat a baixes temperatures.

L’any 2009, inicià una altra estada postdoctoral al Departament d’Astroquímica de la Universitat de Leiden (Holanda).

Allí va treballar sota la supervisió de la professora Ewine van Dishoeck, que és una autoritat mundial en l’àmbit de l’astroquímica [4], i del professor Geert-Jan Kroes [5], químic teòric molt ben considerat en el món de les interaccions gas-superfície. L’objectiu d’aquesta estada postdoctoral va ser entendre

14/12/2016 10:31:45

com l’aigua en fase gas es forma en el medi interestel·lar, on noves estrelles i planetes es formen. L’espai entre les estrelles no està buit, però és ple d’un gas molt diluït. Hi ha concentracions més fredes (T = 10-100 K) i denses (102-106 cm−3) que s’anomenen núvols interestel·lars i que es poden veure en les imatges òptiques com taques fosques que bloquegen la llum de les estrelles de fons. Aquests núvols contenen una sorprenent i rica varietat de molècules i partícules sòlides petites anomenades grans, i formen un laboratori químic únic en el qual tenen lloc alguns mecanismes i reaccions que normalment no tenen lloc en un laboratori a la Terra. En particular, la seva recerca consistia a aplicar els mateixos mètodes teòrics de simulacions de dinàmica molecular a través de trajectòries quasiclàssiques sobre superfícies de gel. Gràcies als seus estudis teòrics, es va poder demostrar que l’existència d’aigua en fase gas en el medi interestel·lar es deu a la fotodissociació ultraviolada de l’aigua dins del gel, que dissocia en H i OH. L’hidrogen format després de la dissociació té molta energia i transmet part de la seva energia cinètica a les molècules d’aigua dins del gel [6-8]. En un altre estudi, va demostrar la formació de CO2 dins de superfícies de gel que contenen molècules de H2O i CO a través de la dissociació de H2O en H i OH, i el OH reacciona amb el CO formant CO2 [9].

L’any 2013, va decidir deixar el món acadèmic i va començar a buscar feina en el món de la indústria. Va ser una experiència molt dura, perquè, malgrat haver passat gairebé deu anys en l’àmbit de la investigació, no tenia cap experiència en el món de la indústria i la majoria de les empreses només volien professionals amb un mínim de tres anys d’experiència en el sector industrial. Finalment, pels volts del març de 2014, inicià la seva carrera professional a Elsevier, una empresa que es dedica a publicar articles científics. De fet, publica més de 2.500 revistes científiques internacionals i és líder mundial de solucions d’informació que ajuden a prendre millors decisions, i de vegades a fer importants descobriments en ciència, salut i tecnologia. Durant els primers catorze mesos, va treballar com a editora científica de tres revistes de física general. Com a editora científica, havia de llegir els articles que arribaven a aquestes revistes i decidir si la qualitat i el contingut eren adequats, segons els criteris d’exigència establerts per aquestes revistes. Una altra tasca consistia a iniciar revistes noves.

Durant els anys de postdoctorat a la Universitat de Leiden, es va adonar que no existia una revista on astrònoms, químics, físics i biòlegs interessats en la formació i la destrucció de molècules a l’univers i a altres planetes poguessin publicar ar-

Revista Quimica 15.indd 101

ticles, i d’aquesta manera tenir un fòrum de comunicació i de col·laboració interdisciplinari. Així, amb l’ajuda dels professors més reconeguts en el camp de l’astroquímica i l’astrobiologia, va crear, el març de 2015, la revista Molecular Astrophysics [10]. Dos mesos després, va tenir l’oportunitat d’ascendir a editora en cap (publisher) de revistes relacionades amb el món de la surface science i de la física i la química dels sòlids. Actualment s’encarrega de catorze revistes científiques, entre les quals hi ha Surface Science i Applied Surface Science, revistes en les quals ella mateixa va poder publicar durant els anys de tesi doctoral. En el seu treball a la casa editorial, té la responsabilitat de conèixer quins són els temes d’interès que s’haurien de publicar a les seves revistes. Així, doncs, juntament amb els editors, que són investigadors experts en els camps de recerca respectius, valora si els objectius i l’abast de les revistes estan actualitzats i si els consells de redacció (board members) representen la comunitat científica. Aquest càrrec implica viatjar molt per assistir a conferències relacionades amb les revistes. Cal conèixer i entendre els temes d’investigació que estan de moda i on hi ha finançament per investigar. També cal conèixer i establir contacte amb els grups d’investigació líders del moment, realitzar tallers per als estudiants de doctorat per tal que coneguin què passa amb el seu article des que s’ha enviat a la revista fins al moment en què és publicat i per donar-los consells sobre com s’ha d’escriure un bon article científic.

Referències i altres fonts [1] Arasa, C.; Gamallo, P.; Sayós, R. «Adsorption of atomic oxygen and nitrogen at β-cristobalite (100): a density function­ ally theory study». J. Phys. Chem. B, núm. 109 (2005), p. 14954.

[2] Arasa, C.; Busnengo, H. F.; Salin, A.; Sayós, R. «Classical dynamics study of atomic oxygen sticking on the β-cristobalite (100) surface». Surf. Science, núm. 602 (2008), p. 975.

[3] Arasa, C.; Morón, V.; Busnengo, H. F.; Sayós, R. «Eley-Rideal reaction dynamics between O atoms on β-cristobalite (100) surface: a new interpolated potential energy surface and classical trajectory study». Surf. Science, núm. 603 (2009), p. 2742.

[4] Bergin, E.; Cleeves, L.; Gorti, U.; Zhang, K.; Blake, G.; Green, J.; Andrews, S.; Evans, N.; Henning, T.; Öberg, K.; Pontoppidan, K.; Qi, C.; Salyk, C.; Dishoeck, E. F. van. «An old disk still capable of form­ ing a planetary system». Nature, núm. 493 (2013), p. 644.

101

14/12/2016 10:31:45

[5] Díaz, C.; Pijper, E.; Olsen, R. A.; Busnengo, H. F.; Auerbach, D. J.; Kroes, G.-J. «Chemically accurate simulation of a prototypical surface reaction: H2 dissociation on Cu(111)». Science, núm. 326 (2009), p. 832.

[6] Arasa, C.; Andersson, S.; Cuppen, H. M.; Dishoeck, E. F. van; Kroes, G.-J. «Molecular dynamics simulations on the ice temperature dependence of water ice photodesorption». J. Chem.

Phys., núm. 132 (2010), p. 184510.

[7] Arasa, C.; Andersson, S.; Cuppen, H. M.; Dishoeck, E. F. van; Kroes, G.-J. «Molecular dynamics simulations of D2O ice

photodesorption». J. Chem. Phys., núm. 134 (2011), p. 164503.

[8] Koning, J.; Kroes, G.-J.; Arasa, C. «Isotope effects on the photodesorption processes of X2O (X = H,D) and HOD ice».

J. Chem. Phys., núm. 118 (2013), p. 104701.

[9] Arasa, C.; Hemert, M. van; Dishoeck, E. F. van; Kroes, G.-J. «Molecular dynamics simulations of CO2 formation in inter­ stellar ices». J. Phys. Chem. A, núm. 117 (2013), p. 7064.

[10] Revista Molecular Astrophysics: http://www.journals. elsevier.com/molecular-astrophysics.

102

Revista Quimica 15.indd 102

14/12/2016 10:31:45

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 15 (2016), p. 103-108 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Activitats destacades de la Societat Catalana de Química

XIV Trobada de Joves Investigadors dels Països Catalans Gregori Ujaque La XIV Trobada de Joves Investigadors dels Països Catalans es va celebrar els dies 3, 4 i 5 de febrer de 2016 a Perpinyà, i aquesta edició va gaudir de la col·laboració de la Universitat de Perpinyà Via Domitia. La Trobada es va inaugurar amb una conferència plenària de caire divulgatiu i oberta al públic, en el camp de les noves tendències en energia i a càrrec del doctor Régis Olivès, de Promes CNRS de la Universitat de Perpinyà. Les sessions científiques celebrades al campus de la Universitat de Perpinyà van gaudir de tres conferències plenàries impartides per investigadors de prestigi reconegut, com són els professors Marc Taillefer, Romà Tauler i Montserrat Gómez. A més de les conferències científiques, també es va realitzar una taula rodona que va girar entorn del futur dels químics fora de l’àmbit acadèmic. La taula rodona va aplegar ponents tant de la indústria, com el doctor Joan Cirujeda, de Bayer Material Science, com de centres públics o privats que han desenvolupat una gran part de la seva carrera professional en la gestió i la difusió de la recerca, com la doctora Marta López, de l’IMIM; la doctora Isabel Masip, de l’IQAC-CSIC, i la doctora Carina Arasa, d’Elsevier (protagonista de la secció «Químics catalans al món» de la revista d’enguany).

D’altra banda, una part fonamental de la Trobada és la que van protagonitzar els mateixos joves investigadors a través de les seves comunicacions orals. L’elevat nombre de sol·licituds

Assistents a la Trobada de Perpinyà. Foto cedida per l’Institut d’Estudis Catalans (IEC).

Revista Quimica 15.indd 103

va fer que s’haguessin de programar quatre sessions paral·leles. La Trobada es va dividir en vuit simposis, dedicats a temàtiques diferents que cobrien tot l’espectre de la química, que va des de la teoria i el modelatge fins a les biomolècules i l’estat sòlid, passant per la catàlisi i les metodologies tant sintètiques com analítiques, i arribant fins al medi ambient i la qualitat de vida. Cada un d’aquests simposis va premiar l’estudiant que va fer la comunicació oral més destacada. En la revista d’enguany es troben recollides en format article les vuit xerrades premiades.

Des de la Junta de la Societat Catalana de Química volem agrair a tots els joves la seva participació i felicitar-los per l’entusiasme que van mostrar.

Conferències Enric Casassas i Fèlix Serratosa La Societat Catalana de Química col·labora en l’organització de les conferències Enric Casassas i Fèlix Serratosa La XV Conferència Enric Casassas es va celebrar a la Universitat de Lleida el 22 de desembre de 2015 i es va centrar en la temàtica Aplicacions de dades espectrals obtingudes amb satèl·lits, avions, drons o sensors de proximitat. El programa de l’acte incloïa les conferències següents: «Utilització de dades de sensors multiespectrals. Aplicacions», a càrrec de Vicenç Palà, de l’Institut Cartogràfic de Catalunya; «Ús de sensors propers en agricultura de precisió (proxidetecció)», impartida per Àlex Escolà, del Departament d’Enginyeria Agroforestal de la Universitat de Lleida; «Cartografia de sòlids», impartida per J. A. Martínez Casasnovas, del Departament de Medi Ambient i Ciències del Sòl de la Universitat de Lleida, i «Casos d’èxit en teledetecció agrícola», impartida per Fran García, d’AgroMapping.

La primera sessió de la 21a Conferència Fèlix Serratosa va tenir lloc a l’Institut Català d’Investigació Química de Barcelona el 6 d’abril de 2016, amb les conferències del professor José Luis Mascareñas, de la Universitat de Santiago de Compostel· la, titulada «Transition metals at the center: catalytic methods and tools for chemical biology», i del professor David W. C. MacMillan, de la Universitat de Princeton, Nova Jersey, titulada «The evolution of aspects of organocatalysis and photoredox catalysis in the MacMillan Lab».

103

14/12/2016 10:31:46

El professor MacMillan mentre impartia la conferència a l’Institut Català d’Investigació Química. Foto cedida pel professor Àngel Messeguer.

En aquesta edició, es va organitzar la segona sessió com un acte acadèmic conjunt del cicle de seminaris del programa de doctorat en química orgànica de la Universitat de Barcelona (UB) amb la 21a Conferència Fèlix Serratosa, i es va celebrar el 7 d’abril a la Facultat de Química de la UB. La segona conferència del professor MacMillan es va centrar en la fotocatàlisi d’oxidació-reducció i el va precedir el professor Jesús Jiménez Barbero, del CIC bioGUNE de Bilbao, que va impartir la conferència titulada «The sweet side of chemistry: sugars, NMR & molecular recognition».

gueiro, de l’IRTA de Monells, va impartir una conferència titulada «L’anàlisi de fàrmacs i ingredients alternatius en aliments d’origen animal».

Patrocini d’altres actes científics

Commemoració del Premi Nobel de Química 2015

La Societat Catalana de Química, en la mesura de les seves possibilitats, patrocina i col·labora en l’organització de diferents activitats que tenen lloc en diferents institucions del país

104

El 20 d’octubre de 2015 va patrocinar una jornada sobre química i aliments celebrada a la Universitat de Girona, amb tres xerrades en l’àmbit de la tecnologia alimentària. La doctora M. del Carme Carretero, del Departament d’Enginyeria Química, Agrària i Tecnologia Agroalimentària de la Universitat de Girona, va parlar sobre les noves perspectives dels additius alimentaris. El doctor Fernando Zamora, del Departament de Bioquímica i Biotecnologia de la Universitat Rovira i Virgili, va parlar del color del vi i, finalment, el doctor José A. García Re-

Revista Quimica 15.indd 104

Del 13 al 19 d’abril de 2016 es van celebrar a la Universitat Rovira i Virgili les ja consolidades VIII Jornades sobre Química Verda. Aquest any, el títol de l’activitat va ser L’aire: un bé per preservar. Les Jornades van consistir en un seguit de conferències, visites a empreses, projecció de documentals i diferents tallers.

El 16 de desembre de 2015 es va dur a terme l’acte científic amb motiu de la commemoració del Premi Nobel de Química 2015 a la seu de l’Institut d’Estudis Catalans. La conferència va ser a càrrec del professor Ramon Eritja, de l’Institut de Química Avançada de Catalunya (IQAC-CSIC), que va parlar de les eines de reparació del DNA. La seva xerrada es recull en aquest número de la revista en format article.

En acabar la conferència, es van lliurar els diplomes a les persones doctorades a les universitats catalanes en l’àmbit de la química durant el curs 2014-2015.

La cloenda de l’acte es va celebrar amb una copa de cava.

14/12/2016 10:31:48

de cent vint-i-un, i va superar amb escreix els presentats en les darreres edicions. A banda dels premis, accèssits i mencions, als millors treballs presentats se’ls ofereix la realització d’una estada científica a diferents institucions catalanes de recerca, a les quals la Societat Catalana de Química reitera el seu agraïment per la seva col·laboració. En aquesta edició, han estat vint-i-quatre els estudiants guanyadors d’una estada científica en diferents centres de Catalunya.

Assistents a l’acte científic amb motiu de la commemoració del Premi Nobel de Química 2015. Foto cedida per l’Institut d’Estudis Catalans (IEC).

Desena edició dels Premis de Batxillerat 2016 En el marc de les activitats que organitza la Societat Catalana de Química adreçades a l’ensenyament de la química a secundària, cal destacar la convocatòria de premis als millors treballs de recerca de batxillerat dins l’àmbit de la química. En aquesta desena edició, el nombre de treballs presentats va ser

Els guardonats en l’edició 2016 han estat dos primers premis ex aequo: Nervis a flor de pell, de Georgina Tresànchez Lacorte, Blanca Serra Sarró i Marta Fernandez Vallespin, del CIC Escola Batxillerats (Barcelona), i Estudi de la viabilitat de l’extracció casolana d’olis essencials i de la utilitat d’aquests com a conservants naturals, realitzat per Natàlia Gonga Siles, de l’institut Milà i Fontanals (Barcelona). La dotació de cada primer premi (ex aequo) fou de 600 euros, que es repartiren els autors del treball. A més, als dos centres dels alumnes que van guanyar el primer premi se’ls va obsequiar amb un exemplar del llibre Els elements. Una exploració visual de tots els àtoms coneguts de l’univers, de Theodore Gray.

També es van concedir dos accèssits de 300 euros cadascun: a Carlos Pavón Regaña, de l’escola dels Jesuïtes Bellvitge Centre d’Estudis Joan XXIII (l'Hospitalet de Llobregat), pel tre-

Guardonats en la desena edició dels Premis de Batxillerat 2016. Foto cedida per l’Institut d’Estudis Catalans (IEC).

Revista Quimica 15.indd 105

105

14/12/2016 10:31:50

ball titulat Els diabètics tenen problemes… amb les fruites, i a Carla Tort Miró, de l’institut El Foix (Santa Margarida i els Monjos), pel treball titulat La màgia de les begudes autoescalfables.

Deu treballs més van rebre una menció honorífica: els dels estudiants Zineb Bakkali Aligua, de l’institut Joan Oró (Martorell); Marc Amilibia Sison, de l’institut Icària (Barcelona); Gonzalo Roig Ferreruela, del col·legi Maristes Montserrat (Lleida); Mar Padró Vivet, de l’institut Sentmenat (Sentmenat); Alba Aubareda Gibert, del col·legi Maristes Montserrat (Lleida); Elisabet Sorribes Torrent, de l’institut Joan Puig i Ferreter (la Selva del Camp); Marc Hernández Escalona, de l’institut El Foix (Santa Margarida i els Monjos); Bàrbara Giralt Monzón i Paula Villasclaras Calvo, de l’institut Ausiàs March (Barcelona); Anna Marsal Beltran, de l’institut Martí

l’Humà (Montblanc), i Tània Gavaldà Vives, de l’institut La Sénia (la Sénia).

El lliurament dels premis i de les estades científiques es va dur a terme durant la jornada del XXVIII Debat de Química a l’Institut d’Estudis Catalans, que tingué lloc el 27 d’abril de 2016. Aquest any, el debat es va centrar en l’ús dels nous recursos digitals, amb el títol App, gamificació i química. A més, els alumnes guanyadors van exposar el seu treball de recerca com a reconeixement a la tasca duta a terme i amb l’objectiu de compartir-la amb el públic assistent. En aquesta edició, i per primer cop, es va concedir un premi de material de laboratori de la casa Thermo Fisher Scientific, SL al centre guanyador del treball.

A tots, moltes felicitats des de la Junta de la Societat Catalana de Química.

106

Revista Quimica 15.indd 106

14/12/2016 10:31:50

Revista Quimica 14.indd 4

17/12/2015 8:38:39

COBERTA Revista Quimica 15.pdf 1 17/10/2016 15:29:05

Societat Catalana Química Revista de la

de

Revista anual de la SCQ, filial de l’Institut d’Estudis Catalans

15 / 2016 URL: http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ ISSN: 2013-9853

Institut d’Estudis Catalans