Pesquisadores da Carnegie Mellon University usaram a espectroscopia vibracional de ressonância nuclear para sondar as ligações de hidrogênio que modulam a reatividade química das enzimas, catalisadores e complexos biomiméticos. A técnica pode levar ao desenvolvimento de melhores catalisadores para uso em uma ampla gama de campos. As descobertas foram publicadas como um "Artigo muito importante" na edição de 3 de dezembro da Angewandte Chemie e destaque na contracapa do jornal.

As ligações de hidrogênio estão entre as interações mais fundamentais encontradas na biologia e na química. Eles são responsáveis ​​por muitas das propriedades quimicamente importantes da água, para a estabilização das estruturas de proteínas e ácidos nucleicos, incluindo aqueles encontrados no DNA e RNA, e contribuir para a estrutura de polímeros naturais e sintéticos.

A pesquisa mostrou que as ligações de hidrogênio desempenham um papel importante no ajuste da reatividade dos centros metálicos de metaloenzimas e catalisadores contendo metais. Contudo, pouca pesquisa foi feita para demonstrar experimentalmente como mudanças sistemáticas nas ligações de hidrogênio dentro da esfera de coordenação secundária - moléculas encontradas nas proximidades de centros de metal que não têm interações de ligação direta com o centro - influenciam a atividade catalítica.

Na catálise, enzimas ou catalisadores sintéticos estimulam uma cadeia de reações químicas, que produzem uma série de estruturas ou espécies intermediárias. Compreender essas estruturas e suas propriedades químicas é a chave para compreender toda a reação.

"Compreender completamente a reatividade química do intermediário reativo é uma etapa fundamental para determinar como projetar catalisadores altamente eficientes e seletivos para a funcionalização C-H, "disse Yisong Guo, professor assistente de química na Carnegie Mellon e principal autor do estudo. "No caso das enzimas ativadoras de dioxigênio, os principais intermediários da catálise são as espécies ferro-oxo (Fe-O) e ferro-hidroxo (Fe-OH), que estão envolvidos em processos biológicos importantes, como a biossíntese de DNA, Reparo de DNA e RNA, modificação pós-tradução de proteínas, biossíntese de antibióticos e degradação de compostos tóxicos. "

Guo e colegas usaram espectroscopia vibracional de ressonância nuclear 57 Fe (NRVS), uma técnica baseada em radiação síncrotron recentemente desenvolvida, para detectar a frequência vibracional de unidades Fe-O e Fe-OH de complexos sintéticos que interagem com a esfera de coordenação secundária por meio de ligações de hidrogênio. Mudanças nas frequências revelaram informações valiosas sobre a força da ligação dessas unidades e, além disso, forneceram uma medida qualitativa da força da ligação de hidrogênio.

"Isso mostrou que o NRVS é uma técnica sensível para captar mudanças muito pequenas na força da ligação de hidrogênio, até as mudanças de uma única ligação de hidrogênio. Isso nos fornece um novo método para conectar as mudanças na força de ligação das unidades Fe-O e Fe-OH à sua reatividade química, "disse Guo.

Guo diz que este estudo é uma prova de conceito para o uso de NRVS para sondar ligações de hidrogênio. Ele planeja continuar usando este método para estudar mais espécies de ferro-oxo e ferro-hidroxo em complexos sintéticos e enzimas para construir a quantidade de dados disponíveis para correlacionar a reatividade química dessas espécies com as mudanças nas interações de ligações de hidrogênio, com a esperança de que essa informação possa ser usada para desenvolver catalisadores mais eficientes e eficazes.