Premio Nobel de Química 2010: La "química crea su propio objeto". El papel de la síntesis orgánica

Puesto que toda la materia que nos rodea está constituida por moléculas, la química está en todas partes. Este hecho hace que la química se considere una ciencia central que interacciona con otras ciencias, desde las clásicas, como la física y la biología, a otras más modernas, como las ciencias medioambientales, toxicología, ciencias de los alimentos, biomedicina, ciencias de los materiales, etc. De estas interacciones surgen áreas interdisciplinares enriquecidas por la presencia de la química. Muchos químicos opinamos que esta simbiosis es beneficiosa para el progreso de la ciencia; pero, por otro lado, pensamos que en esta interacción, el papel de la química no es suficientemente reconocido. Para que algunas de estas ciencias progresen son necesarias moléculas (compuestos químicos) que preparamos los químicos.

	Este año el Premio Nobel de Química ha recaído en tres investigadores ya veteranos que han contribuido enormemente a proporcionarnos métodos eficaces para preparar moléculas orgánicas

El título de este artículo lleva la frase ("la química crea su propio objeto") la más hermosa escrita sobre la química. Esta frase, de Marcellin Berthelot (1827-1907), capta perfectamente el espíritu creativo de la química. Los químicos preparamos (sintetizamos) sustancias que nunca antes han existido y estudiamos sus propiedades y utilidades. El área de la química encargada de la preparación de compuestos químicos es la síntesis química, que dependiendo del tipo de moléculas sintetizadas (orgánicas o inorgánicas) se puede clasificar en síntesis orgánica o inorgánica, cuyas metodologías son diferentes.

Este año el Premio Nobel de Química ha recaído en tres investigadores ya veteranos que han contribuido enormemente a proporcionarnos métodos eficaces para preparar moléculas orgánicas.

Los galardonados han sido Richard F. Heck (1931, profesor emérito de la Universidad de Delaware), Ei-ichi Negishi (1935, Universidad de Purdue) y Akira Suzuki (1930, profesor emérito de la Universidad de Hokkaido) por los descubrimientos (a veces en colaboración o en paralelo con otros químicos) y, principalmente, por el desarrollo de las tres reacciones que llevan sus nombres y que se indican en la figura siguiente. Las tres reacciones tienen en común que están catalizadas por complejos de paladio (ver más adelante).

La investigación que realizaron estos científicos (y muchos más que han realizado investigaciones similares) ha sido profundizar en el conocimiento, desarrollando métodos que permitían sintetizar de manera eficaz compuestos con estructuras variadas. Esta investigación refleja el carácter de ciencia básica que tiene la mayor parte de la química. Sin embargo, estos métodos eficaces han permitido la preparación de miles de compuestos orgánicos útiles en todas las áreas en las que influye la química: salud, alimentación, agricultura, tecnología, materiales, energía, etc; siendo la demostración de que a partir de los resultados de esta investigación (que muchos considerarían básica con escasa aplicabilidad) se pueden obtener resultado prácticos, demostrando la certeza de la frase de Louis Pasteur (1822-1895): "no existe ciencia básica y aplicada, sino ciencia y las aplicaciones de la ciencia".

En el párrafo anterior se ha mencionado la "eficacia". Esta es una cualidad que deben cumplir los métodos sintéticos. Existen muchos criterios para medir la eficacia de una síntesis química, que van desde el coste económico al impacto medioambiental, pasando por el rendimiento químico, número de etapas y la selectividad. Esta última es una cualidad deseable de todos los procesos químicos y se refiere a la obtención preferente o única de un compuesto químico de todos los posibles en una reacción química. Los procesos selectivos tienen influencia en otros aspectos de la eficacia sintética, pues implican síntesis más cortas (menos etapas en la secuencia sintética), rendimientos más altos, costes menores y eficacia medioambiental, puesto que, en el caso ideal, solo se genera una sustancia química, evitando la formación de subproductos que encarecen el proceso y cuya eliminación tiene un coste medioambiental.

El paladio es un metal escaso en la corteza terrestre (alrededor de 0'001 ppm). Fue aislado en 1803 por Wollaston (1766-1826) y Tennant (1761-1815) como subproducto en la extracción de platino. El paladio es un metal muy útil y frecuente en nuestras vidas, siendo el metal activo en los convertidores de automóviles ("catalizadores" en denominación popular), que a través de reacciones de oxidación y de reducción transforman los gases nocivos (óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono, hidrocarburos) de la combustión incompleta de las gasolinas en dióxido de carbono y agua. La fabricación de convertidores de automóviles consume aproximadamente el 60% de la producción mundial de paladio. Otros usos son en electrónica, fabricación de piezas dentales, joyería e industria química.

El principal uso del paladio y sus compuestos se debe a su propiedad química más importante: la capacidad de catalizar reacciones química. La catálisis se refiere al fenómeno en el que una sustancia (el catalizador) aumenta la velocidad de una reacción química sin consumirse en ella. La catálisis es fundamental en el progreso de la química. Por un lado, permite realizar reacciones que en su ausencia serían extremadamente lentas. Por otro lado, el catalizador no se consume, por lo que se puede recuperar y reusar, lo que es beneficioso económicamente y medioambientalmente. El paladio metálico, finamente dividido y dispersado sobre un material poroso, es capaz de catalizar numerosas reacciones en fase gaseosa (como las que se producen en el convertidor).

Una propiedad interesante del paladio es su capacidad de absorber gases, especialmente hidrógeno, como demostró Graham (1805-1869) en 1866. Esta propiedad (compartida por otros metales, como platino ó níquel) permitió realizar reacciones a alta presión y fue usada a principios del siglo XX por Paul Sabatier (1854-1941, Premio Nobel de Química en 1912) para catalizar reacciones de hidrogenación (la reacción de una sustancia química con hidrógeno, una reacción de reducción). En química sintética, este es el uso principal del paladio.

La primera aplicación industrial de compuestos de paladio, fue el uso de cloruro de paladio (PdCl₂) en la producción de acetaldehido a partir de etileno a través del proceso Wacker; que, aunque descubierto en 1894, no pudo ser utilizado industrialmente hasta 1960. Este es un proceso industrial muy importante, pues convierte el etileno (un hidrocarburo muy asequible) en acetaldehído, un intermedio fundamental en la producción de numerosos compuestos químicos (entre ellos el etanol). En este proceso, el PdCl₂ [que es una sal de Pd(II)] interviene en la reacción como oxidante, reduciéndose a paladio metal [Pd(0)]. Para hacer el proceso catalítico es necesario oxidar Pd(0) a Pd(II), lo que se consigue in situ por reacción con oxígeno en presencia de cloruro de cobre (II) (CuCl₂).

El progreso de la investigación de los compuestos de los metales de transición (más conocidos como complejos metálicos) permitió descubrir reactividades peculiares que podían usarse ventajosamente en síntesis orgánica. Entre estas reacciones se pueden citar reacciones de inserción en enlaces carbono-heteroátomo (en química orgánica, un heteroátomo es cualquier átomo distinto de carbono), la formación de enlaces entre dos átomos originalmente unidos al paladio, o eliminación de moléculas conteniendo unidades de "metal-X" (X es cualquier átomo). Además, se encontró que esta reactividad puede ser modulada por los ligandos (fragmentos moleculares) unidos al metal. De esta manera se conseguía una reactividad inimaginable con los conocimientos de la química "clásica". Frecuentemente, a través de la secuencia de transformaciones en las que participa el complejo metálico, este se consume; siendo necesaria una cantidad estequiométrica (la misma cantidad de moléculas que del resto de sustratos) de complejo metálico. Para que el método sea práctico, es necesario regenerar el complejo metálico de tal manera que se pueda usar en condiciones sub-estequiométricas, reduciendo la cantidad de complejo metálico utilizado. La búsqueda de procesos catalíticos con cantidades sub-estequiométricas es uno de los objetivos de la metodología sintética.

El paladio es uno de los metales más útiles para hacer este tipo de reacciones; y las reacciones de Heck, Suzuki y Negishi constituyen excelentes ejemplos de este uso. Las tres reacciones son metodologías en las que se crean enlaces carbono-carbono catalizadas por complejos de Pd(0) (ver figura). La diferencia entre las tres variantes es en el tipo de sustratos. La reacción de Heck, que se puede considerar pionera en este tipo de reactividades, consiste en el acoplamiento de una olefina con un haluro de vinilo o haluro de arilo. La variante de Negishi consiste en el acoplamiento de compuestos organometálicos de zinc con haluros de alquilo. Por otro lado, la reacción de Suzuki permite obtener biarilos por acoplamiento de derivados de ácidos arilborónicos con haluros de arilo. Los biarilos son moléculas útiles para la generación de materiales y fármacos.

Hay otras reacciones similares a estas tres, tales como las de Stille, Sonogashira, Kumada, Ito y Hiyama, que implican el uso de diferentes agentes electrófilos ("pobres" en electrones) y núcleofilos ("ricos" en electrones) en los acoplamientos. Otra reacción útil desde el punto de vista sintético es la sustitucion nucleófila catalizada por paladio de compuestos alílicos, conocida como la reaccion de Tsuji-Trost. Un proceso análogo es la reacción de Buchwald-Hartwig, que en su variante mas común consiste en el acoplamiento de aminas secundarias con haluros de arilo.

La concesión del Premio Nobel de Química es una satisfacción enorme para los químicos, pues en los últimos años habíamos comprobado que los galardones en esta área se habían sido concedidos a investigaciones más relacionadas con la biología que con la química, lo que ha sido recientemente notado por la revista Nature (2009, 467, 765).