As moléculas cíclicas estão por toda parte, e tudo ao nosso redor decorre da maneira como eles são montados:não apenas gosto, cor e cheiro, mas também (por exemplo) drogas farmacêuticas. A natureza por si mesma forma anéis moleculares de tamanhos diferentes e cadeias de anéis de comprimentos variados que os cientistas são capazes de reproduzir artificialmente. Químicos da Universidade de Genebra (UNIGE) desenvolveram agora uma nova técnica para criar essas cadeias de anéis moleculares que não usam interações químicas padrão, mas contato com grandes superfícies moleculares que são pobres em elétrons e não existem na natureza. Ao contrário dos procedimentos padrão, esta nova técnica funciona por autocatálise - a mais rara, mas também o mais ambicioso, tipo de transformação que existe na química. Os resultados desta pesquisa, publicado no jornal Angewandte Chemie , abrir novas perspectivas para a ciclização molecular e também fornecer a primeira parte da resposta a uma velha contradição na química clássica.

As moléculas que nos cercam são frequentemente organizadas em forma de ciclos, formando esteróides, açúcares, perfumes ou também drogas, por exemplo. Química Inorgânica, esses anéis moleculares podem ser criados usando a técnica de catálise:a molécula selecionada, chamado de substrato, é colocado em contato com a molécula que realiza a transformação - o catalisador - geralmente por meio de ligações de hidrogênio. Mas com este único método de interação, as possibilidades criativas são reduzidas. Incorporar novas formas de interação os converteria de forma diferente, criando assim novos materiais com potencial para resolver problemas científicos e sociais que são intratáveis ​​com os métodos convencionais.

Stefan Matile é professor titular do Departamento de Química Orgânica da Escola de Química e Bioquímica da Faculdade de Ciências da UNIGE. Ele também é membro da NCCR Chemical Biology e da NCCR Molecular Systems Engineering. “Nosso laboratório se especializou em implementar novos contatos entre moléculas, um deles baseado em superfícies moleculares muito grandes, conhecidos como aromáticos, que são pobres em elétrons altamente deslocalizados. "O professor Matile acrescenta que os contatos com esses grandes, planícies moleculares vazias, que estão ausentes na natureza, parecia promissor para a ciclização de anéis moleculares encadeados uns aos outros. Mas quais são as consequências?

Cadeias de anéis moleculares produzidos por autocatálise

Os objetivos dos químicos de Genebra eram:reproduzir ciclos de diferentes tamanhos, isto é, consistindo em um número de átomos definidos (esteróides, por exemplo, são formados por três ciclos de seis átomos mais um de cinco); e ligar vários ciclos sem usar as ligações de hidrogênio, mas uma superfície molecular baixa em elétrons deslocalizados (conhecidas como interações ânion-π). "A principal característica dessa planície molecular é o espaço vazio que ela fornece para as moléculas se reunirem, "diz Miguel Paraja, Pesquisador do Departamento de Química Orgânica da UNIGE. Em contato com este novo, superfície espaçosa e com deficiência de elétrons, as moléculas formaram ciclos de tamanhos diferentes (4 a 8 átomos) e várias sequências. "Mas a grande novidade foi a forma como as transformações ocorreram!" acrescenta o químico sediado em Genebra.

Todas essas ciclizações ocorreram de forma autocatalítica. "Com um catalisador convencional, as ciclizações são rápidas no início, e então - uma vez que há cada vez menos substrato - eles ficam cada vez mais lentos, explica Xiaoyu Hao, um pesquisador do mesmo laboratório. Mas com a autocatálise, é exatamente o oposto que acontece! "De fato, as transformações moleculares se aceleram em escala massiva. "Embora esta autocatálise seja um fenômeno de transformação muito raro na química, também é o mais surpreendente, diz o professor Matile. "É baseado na ajuda mútua entre moléculas:as primeiras moléculas transformadas ajudam as próximas a se transformar, que não é o caso durante a catálise normal, que desacelera em vez de acelerar. "

O primeiro passo para responder a uma velha contradição da química clássica

Essa descoberta ajuda a responder a uma das mais antigas contradições da química clássica. "Existe uma cadeia muito conhecida de anéis moleculares, chamado de brevetoxina, que é encontrado na maré vermelha e que tem o efeito de matar peixes, "explica o professor Matile. Foi descoberto por uma figura importante da química orgânica, Koji Nakanishi, que apresentou uma explicação para a possível construção desta extraordinária cadeia formada por onze anéis moleculares consecutivos em uma única reação. Mas esta hipótese não concorda com Jack Baldwin, um famoso químico que produziu as regras que explicam a formação de ciclos que agora são aceitos como a base da química clássica. A "hipótese de Nakanishi" viola essas regras para cada um dos onze anéis. "Nossos anéis podem ser formados de acordo com as regras de Baldwin, se quisermos, relatórios Paraja. Mais importante, também podemos quebrar as regras de Baldwin sob demanda com nossos novos catalisadores e criar aqueles anéis proibidos com os quais Koji Nakanishi sonhou. "" A chave para o sucesso, explica Hao, é o grande espaço vazio oferecido por nossos novos catalisadores. "

O professor Matile continua:"Com a descoberta da autocatálise na formação de moléculas cíclicas, nossos contatos ânion-π nos ajudaram a compreender a maneira mais sutil de transformar as moléculas que existem na química. E isso nos ajudará a criar novas cadeias de anéis moleculares. "Os químicos serão capazes de influenciar e direcionar a natureza da transformação do próximo substrato, criando novos materiais, um dos objetivos principais também da Engenharia de Sistemas Moleculares do NCCR. "A maioria das soluções para problemas científicos, sejam eles sobre comida, medicina ou meio ambiente, envolvem moléculas e novos contatos que podem ser criados entre eles, "diz o químico de Genebra.