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ÍNDICE

Prólogo……………………………………………………………………………… 03

Lista de autores…………………………..………………………………….……………..… 04

Introducción………………………………………………………………………… 05

1. QUIRALIDAD……………………………………………………………………… 08

1.1 Química en tres dimensiones: Enantiómeros de origen cósmico en su paladar…………………….…………………………………………………………... 09

1.1.1 Autocatálisis asimétrica por quiralidad isotópica………………....... 13 1.1.2 Distintas interpretaciones acerca de la homoquiralidad en los

sistemas biológicos………………………………………………….… 16 1.1.3 La quiralidad en las biomoléculas, del espacio al planeta

Tierra……………………………………………………………………. 18 1.1.4 Moléculas quirales. Enantioselectividad, toxicidad y aplicaciones en

la medicina………………………………………………………………... 20

1.1.5 Origen cósmico de la homoquiralidad en el planeta Tierra y técnicas de detección de la quiralidad por espectros vibracionales………… 22

1.1.6 La quiralidad en la neurociencia: enfermedad de Parkinson……………………………………………………………….. 25

2. CARACTERIZACIÓN……………………………………………………………… 27 2.1 ¿Qué gemela eres? La importancia de la caracterización de compuestos quirales…………………………………………………………………... 28

2.1.1 Técnica de separación quiral………………………………………..… 33 2.1.2 Purificación de moléculas quirales por HPLC……………………….. 35 2.1.3 Espectroscopía de resonancia magnética nuclear para enantiómeros…………………………………………………………………… 39 2.1.4 ¿Cuál de los enantiómeros, tengo en mayor cantidad?..................... 41

3. SÍNTESIS……………………………………………………………………………. 44

3.1 Síntesis asimétrica catalítica………………………………………………………. 45

3.1.1 Nuevos métodos de resolución……………………………………….. 54 3.1.2 Síntesis asimétrica de aminoácidos a partir de nuevos reactivos quirales………………………………………………………………………….. 57

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3.1.3 Oxidación enantioselectiva de sulfuros pro-quirales y reducción enzimática……………………………………………………………………….. 60

3.1.4 Predicción de enantioselectividad con métodos quimioinformáticos……………………………………………………………… 62 3.1.5 Hidrogenación asimétrica con catalizadores a base de hierro (Fe)……………………..………………………………………………………… 64

4. QUIMICA VERDE…………………………………………………………………… 66

4.1 Enantiómeros de la justicia…………………………………………………………67

4.1.1 Catálisis asimétrica con organocatalizadores basados en aminas primarias quirales……………………………………………………………….. 69 4.1.2 El tamaño no limita el poder: nano-catálisis y química verde………………………………………………………………………………72 4.1.3 Síntesis asimétrica vs catálisis homogénea: reactivos y catalizadores ecológicos…………………………………………………………………………75 4.1.4 Búsqueda de catalizadores verdes para síntesis orgánica…………………………………………………………………………...77 4.1.5 Química verde de la mano con la síntesis catalítica asimétrica quiral……………………………………………………………………………….79 4.1.6 Importancia de los productos quirales…………………………………..82 4.1.7 Catálisis heterogénea de oxidación selectiva para una industria química sostenible……………………………………………………………….85 4.1.8 Oro y plata nanopartículas para la inmovilización de biomoléculas y catálisis enzimática: Opción viable y sostenible para una síntesis verde………………………………………………………………………………87

Glosario…………………………………………………………………………………..91

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PRÓLOGO

La actividad científica actual requiere del ejercicio responsable y colectivo de numerosas habilidades. Entre ellas, la comunicación escrita juega un papel fundamental para adquirir y transmitir conocimientos. No obstante, pocos programas de formación en ciencias, adoptan como suyo la necesidad de guiar el desarrollo sano de esta habilidad. El plan de estudios de la Licenciatura en Diseño Molecular y Nanoquímica propone en el segundo semestre el Taller de Lectura y Redacción con el propósito de mejorar las habilidades necesarias para el trabajo profesional del área. Creímos conveniente orientar las actividades del taller específicamente hacia la lectura y redacción de textos científicos. El reto que se presenta a esta altura de la formación es, cómo abordar un texto científico cuando aún no se cuenta con antecedentes académicos suficientes en la temática, en este caso, en la síntesis catalítica asimétrica. De inicio, plantear el trabajo sobre un tema de esta naturaleza generó el sentimiento de que se trataba de un tema muy avanzado para estudiantes del segundo semestre. Sin embargo, descubrimos juntos la forma de crear un camino hacia la comprensión del tema. Aquí se han reunido los pasajes que a lo largo del camino ellos decidieron interesantes explorar mejor. Primero dirigidos, después en equipo y, finalmente, de manera individual. El camino, como cualquier brecha nueva tuvo numerosas dificultades. En su partida fue necesario identificar las estrategias de búsqueda de información y resolver preguntas como: ¿qué necesito saber para poder entender este texto? ¿por dónde inició la búsqueda de información? ¿es esto relevante o no? Algunas de esas preguntas fueron resueltas aprendiendo a utilizar la biblioteca y, más adelante, los recursos bibliográficos en línea. Otras más, requirieron generar prácticas de trabajo colectivo propias de la actividad científica, es decir, apropiarse de la responsabilidad de una parte del trabajo y ser capaz de construir con esas piezas un producto común. Para generar las reseñas de trabajos de investigación publicados en revistas especializadas fue necesario, además de librar la barrera del idioma en muchos casos, aprender las formas de la comunicación científica actual. Ser críticos y propositivos del trabajo común, el del colega y el propio es también, un elemento de logro en este trabajo. Las enormes capacidades de estos estudiantes encontraron siempre la forma de sortear las dificultades exitosamente. Es un honor presentarles esta compilación que tomó forma gracias a la dedicación de ellos.

Margarita I. Bernal-Uruchurtu Profesora

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Lista de autores

L. Alday T. 12

Adrián A. Ortega 54

Diana Callejas-Yañez 15

Erika Cano Tapia 57

K. Ariadna Colín M. 33

Mariant Bryceidi Fomperosa 60

Fernando Galindo Mendoza 69

Violeta Gómez Ramírez 72

Denise Hernández 17

Osvaldo Hernández Cuellar 62

Regina Izquierdo R. 75

Enrique Bezaleel Linares E. 77

Rodolfo Martínez Romero 35

Michelle D. Olvera 79

Gres E. Pérez Gutiérrez 82

Saúl Puebla Román 64

Ingrid Salazar-Carreón 19

Daniela S. Arana 39

Karla R. Sánchez-Liévanos 21

Abner Sandoval Cortes 85

Adináh Tamayo Badillo 24

Estefanía de J. Terán S. 41

D. Iván Villalva M. 87

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Introducción

En 1841 Louis Pasteur obtuvo una mezcla de enantiómeros en igual proporción (mezcla racémica) de sales de tartrato, en la que observó la existencia de dos tipos de cristales: unos eran la imagen especular del otro, cuando consiguió separarlos en sus formas cristalinas demostró que una de ellas era dextrógira (desvía la luz polarizada a la derecha) y la otra levógira (rota la luz a la izquierda). Esta impresionante capacidad de la naturaleza de ser homoquiral, es decir, de elegir solo uno de los enatiómeros sigue siendo un tema de interés e investigación científica, que ahora reúne a otras ciencias como la astrofísica para tratar de explicar sus orígenes, esto trae consigo nuevos descubrimientos y aplicaciones en química. En 2001, el premio Nobel de química se otorgó a W. S. Knowles y R. Noyori y a K. B. Sharpless por su trabajo en el área de síntesis catalítica asimétrica. La síntesis es la obtención de un compuesto mediante una serie de reacciones con sustancias más simples, es asimétrica porque se produce más de un enantiómero que del otro y finalmente, es catalítica porque se lleva a cabo mediante el uso de catalizadores.

El premio nobel fue dividido. La mitad para W. S. Knowles y R. Noyori por el trabajo en reacciones de hidrogenación con catalizadores quirales. La segunda mitad para K. B. Sharpless por el trabajo en las reacciones de oxidación con catalizadores quirales.

A principios de los sesenta no se sabía si la hidrogenación asimétrica catalítica era factible. En 1968 Knowles demostró que es posible hidrogenar un sustrato aquiral y obtener un producto quiral utilizando como catalizador un complejo de rodio(I) ópticamente activo, dando como producto un exceso enantiomérico. Su descubrimiento contribuyó a abrir puertas a un nuevo, excitante e importante campo para la investigación académica e industrial. Una de las aplicaciones más destacadas de su descubrimiento fue la síntesis de L-DOPA utilizada para el tratamiento contra el Parkinson.

El trabajo de Noyori sobre los catalizadores de complejo BINAP-Ru(II) demostró ser un avance importante en la síntesis orgánica estereoselectiva, con una marcada efectividad en varios tipos de catálisis asimétrica. El catalizador BINAP-Ru es utilizado para la hidrogenación asimétrica de cetonas funcionales y el catalizador BINAP/diamina-Ru es utilizado para la hidrogenación asimétrica de

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cetonas simples. Estas hidrogenaciones se usan en la producción de varios fármacos como los antibióticos levofloxin y carbapenem.

Sharpless empleó las mimas ideas en reacciones de oxidación. Sus esfuerzos estaban orientados a conseguir dos objetivos: uno de ellos era controlar la enantioselectividad en la epoxidación de olefinas, pero como los primeros intentos indicaban una escasa actividad catalítica, ideó un proceso catalítico que aumentaba la velocidad de reacción y a la vez mejoraba la enantioselectividad del proceso. Esto ha permitido la epoxidación de numerosos alcoholes alílicos con una elevada enantioselectividad. A escala industrial se emplea en la síntesis del glicidol, un compuesto que se utiliza como intermedio en la preparación de fármacos β-bloqueantes. El otro logro fue conseguir una eficiente dihidroxilación de olefinas catalizadas mediante compuestos de osmio.

Los métodos que dichos investigadores desarrollaron son ampliamente utilizados para obtener moléculas con propiedades estructurales específicas. En particular, moléculas quirales las cuales se caracterizan por la propiedad de guardar una relación de imagen especular pero no ser superponibles. La quiralidad es de gran importancia en la naturaleza ya que muchos de los componentes asociados con los organismos vivos poseen dicha propiedad, tales como: el ADN, enzimas, anticuerpos, hormonas, etc. Al ser la síntesis catalítica asimétrica un tema extenso, se han creado capítulos para hacer más fácil su comprensión, en ellos se separa la información de acuerdo a un área de aplicación o investigación química. La separación de la información por capítulos permitirá conocer más sobre la importancia y las aplicaciones referentes a ciertas áreas químicas al explicar cada una por separado. Ya que es necesario conocer el significado de algunas palabras técnicas propias del mismo tema, se creó un glosario que corresponde a la última sección del libro. Referencias:

Louis, S.; Noyori, R.; Sharpless, K. B. “Catalytic asymmetric synthesis‖, J.Am.Chem. Soc. 134 572 (2002).DOI: 10.1021/ed079p572.

Por: Denise Hernández

Violeta Gómez Martínez

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Química en tres dimensiones: Enantiómeros de origen cósmico en su paladar.

L. Alday T.

Ingrid Salazar-Carreón.

Karla R.Sánchez-Liévanos

Adináh Tamayo Badillo.

En la vida diaria, hay endulzantes tradicionales como el azúcar de mesa o la miel y hay artificiales como la sucralosa. El objetivo de los endulzantes artificiales es disminuir la actividad biológica sin reducir su capacidad endulzante. Esto se ha pensado que evita los problemas de salud asociados al consumo excesivo de sustancias dulces.

En esta nota pretendemos compartir la historia de la tagatosa, un endulzante sintético revolucionario, bajo en calorías, que fue una de las primeras alternativas artificiales para endulzar. Este endulzante debe su introducción al ámbito culinario al Dr. Gilbert V. Levin, quien diseñó un experimento de detección de vida usado en las sondas Viking de la NASA (Véase fig.1). Estas sondas aterrizaron en Marte en 1976 con los objetivos de identificar la composición de la atmósfera y superficies marcianas, fotografiar la superficie y buscar evidencias de vida [1].

Figura 1. Sonda Viking 1 2

Las sondas Viking fueron equipadas con equipos de cromatografía, y cámaras de reacción para el seguimiento de dos reacciones: la asimilación de carbono del suelo, y la oxidación de nutrientes.

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La prueba de oxidación de nutrientes consta en administrar nutrientes ricos en carbono-14 a una muestra de suelo (Véase fig.2). Se esperaba que cualquier presunta forma de vida oxidara los nutrientes y liberara CO2 rico en 14C que sería detectado por la sonda. Esto confirmaría la existencia de organismos vivos con características semejantes a las de los terrestres.

Figura 2. (Experimento II). La muestra de suelo es colocada en una de las dos incubadoras removibles. El nutriente almacenado y la cámara incubadora son lavados, tras lo cual se inyecta el nutriente en la tierra. La evolución del gas marcado isotópicamente es monitoreada en la cámara detectora. 3

Hay muchos enantiómeros con actividad biológica única (veáse fig. 3). Para llevar a cabo el experimento se había decidido llevar el racemato de la glucosa para la prueba, pues no se sabía cuál enantiómero sería aprovechado por estos supuestos organismos extraterrestres, ya que los organismos terrestres sólo absorben la D-glucosa, mientras que la L-glucosa no. Por ciertas fallas técnicas, las Viking terminaron llevando el racemato de la lactosa.

La lactosa fue oxidada, lo cual sugirió la presencia de microorganismos en Marte. Sin embargo, ninguna de las otras pruebas detectó moléculas orgánicas, ni evidencia de vida en general. Por tal razón la oxidación se explicó a partir de procesos abióticos.

Levin no pudo demostrar la existencia de microorganismos en Marte. Sin embargo, el estudio de los estereoisómeros fue fructífero. Levin se percató de que el enantiómero L de la glucosa no es metabolizable, y que sería un negocio lucrativo comercializar endulzantes que no causen los problemas que generan los demás.

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Figura 3. Enantiómeros L y D de la glucosa4

Se logró sintetizar algunos azúcares L. Eran dulces, pero no absorbidos. Sin embargo, la producción no fue viable debido al elevado costo de producción. Luego de realizar más pruebas, Levin logró en 1988 la patente de un método económico de síntesis mediante la cual se llegó a la D-tagatosa. Este endulzante resultó ser un hito en la historia de los endulzantes artificiales.

En ciencia, el impacto de un descubrimiento es impredecible. Como ejemplo están los glúcidos artificiales que nacieron a partir de la exploración espacial.

Figura 4. Actividades biológicas de enantiómeros R y S de algunos fármacos 5, 6

Referencias:

[1] NASA. A natural way to stay sweet. http://spinoff.nasa.gov/Spinoff2004/ch_4.html (consultado Marzo 2, 2015).

[2] Sonda Viking. http://www.ondacultural.org/images/administrables/2/images/viking-1-2-marte-mars.jpg (consultado Abril 24, 2015).

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[3] Klein H., Lederberg J., Rich A, ―Biological Experiments: The Viking Mars Lander‖, Icarus. (1972). http://profiles.nlm.nih.gov/ps/access/BBABLQ.pdf (consultado Marzo 26, 2015)

[4] Royal Society of Chemistry. http://www.chemspider.com/ImageView.aspx?id=9129332&mode=3d,http://www.chemspider.com/ImageView.aspx?id=96749&mode=3d (consultado Marzo 26, 2015)

[5] Facultad de Ciencias Médicas. Medicamentos quirales. (2004). Medicina.usac.edu.gt/quimica/quiral/aplicaciones.htm (consultado Marzo 27, 2015).

[6] US National Library of Medicine. Differential effects of (S)- and (R)-enantiomers of albuterol in a mouse asthma model. (2005). http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16083788 (consultado Marzo 27, 2015).

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Autocatálisis asimétrica por quiralidad isotópica

L. Alday T.

El seguimiento de isótopos permite entender un proceso, ya sea químico, biológico o geológico. El marcaje permite conocer un antes y un después, para ayudar a un analista a elucidar lo que pasa en el durante.

Este método es similar a la ―Operación Rápido y Furioso‖ [1]. Es mucho menos controversial, pero el principio es el mismo: Introducir elementos a un sistema, aparentemente iguales a los demás, pero con minúsculas diferencias que los hacen detectables ante un análisis.

Por ejemplo, la resonancia magnética nuclear solamente es capaz de detectar núcleos con un número másico impar, y la espectrometría de masas es sensible al cambio en masa. También se puede detectar la actividad radioactiva.

Estas pruebas permiten conocer lo que pasa en sistemas como una reacción inédita de síntesis catalítica asimétrica, o casos más complejos como una célula cancerosa o un bioma.

Las reacciones en las que el producto actúa como catalizador se denominan autocatalíticas.

La mayoría de aminoácidos terrestres son quirales. Hay excepciones, como la glicina (con dos hidrógenos) y la α-metil-alanina (con dos metilos). Por otra parte, las muestras provenientes de meteoritos de estos ácidos son ricas en deuterio, y por lo tanto son isotópicamente quirales. La glicina adquiere un deuterio en lugar de un protio; la α-metil-alanina sustituye un grupo H3C• por un D3C•.

K. Soai y su equipo estudiaron en 2009 la interacción entre aminoácidos isotópicamente quirales y la 5-carbaldehido pirimidina (aquiral). Exponerla a di-isopropil zinc (aquiral) y muestras quirales de estos dos ácidos causa una adición enantioselectiva de un grupo isopropilo al carbonilo [2].

La S-glicina y R-metil-alanina, juntas, promovieron la formación del enantiómero S, mientras que el par de R-glicina y S-metil-alanina promovieron al enantiómero R. En ambos casos, el exceso enantiomérico (ee) es pequeño, pero se lleva a cabo una reacción autocatalítica que lo amplifica.

Es curioso que los aminoácidos terrestres prefieran una distribución espacial. Soai y colaboradores realizaron este estudio con la hipótesis de que los aminoácidos

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estelares son causantes de la homoquiralidad terrestre, y lo concluyeron convencidos de que existe una relación significativa entre la autocatálisis asimétrica, la quiralidad isotópica y el origen de la homoquiralidad.

Hay diferencias notables, tales como la masa o fuerza de enlace entre el hidrógeno y sus isótopos. Esto hace pensar que puede haber diferencias sustanciales entre sus comportamientos. Por otra parte, las diferencias son menores en los elementos más pesados. El 13C es apenas un doceavo más pesado que el 12C. Esto hace pensar que cualquier consecuencia química debido al 13C será despreciable o inexistente. Sin embargo, la química alberga sorpresas. Controlar adecuadamente la colocación de los carbonos-13 en los reactivos permite alterar significativamente la pureza óptica de algunas reacciones.

K. Soai y otro equipo de trabajo encontraron en 2008 este fenómeno. Realizaron diferentes rutas sintéticas para discriminar entre los enantiómeros isotópicos de diferentes compuestos, pues es difícil discernir entre ellos por otras técnicas [3].

De nuevo, hubo reacciones basadas en la adición estereoselectiva de un isopropilo al carbonilo de la 5-carbaldehido pirimidina, pero también se llevaron a cabo otras reacciones. En esta serie de adiciones se marcaron diferentes carbonos. El metilo de una acetofenona, el de un éter de la glicerina, el fenilo de un benzaldehído, entre otros. Para la reacción del Me2Zn (aquiral) con el H3

13COPh (benzaldehído, es aquiral), se adicionó un metilo produciendo el enantiómero R, con un exceso enantiomérico del 89%. Cuando el 13C se encuentra enlazado al zinc, y el metilo del benzaldehído es de 12C, predomina el producto S, con un ee del 93%.

La reacción de autocatálisis puede amplificar la pureza del producto final. En unas condiciones, se partió de un compuesto con ee del 89%, para llegar a un exceso del 92%. En otras condiciones, se empezó de un ee del 99% que se redujo hasta el 95%.

Los experimentos realizados hacen evidente la relación entre la inducción asimétrica y la quiralidad isotópica del primer reactivo.

Otra de las sorpresas es la impredictibilidad del método. Aunque se puede predecir la identidad del producto predominante, el valor del exceso enantiomérico es diferente cada vez, lo que Soai atribuye a variables aleatorias.

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Referencias:

[1] U.S. Department of Justice / Office of the Inspector General. ―A Review of ATF’s Operation Fast and Furious and Related Matters.‖ 2012 (Septiembre).

[2] Suzuki K., Tsutsumi T., Matsumura Y., Soai K., Ito M., Kawasaki T, ―Asymmetric autocatalysis triggered by carbon isotope (13C/ 12C) chirality‖, Synlett. 324 (13) 492–495 (2009) DOI: 10.1055/s-0029-1217800.

[3] Kawasaki T., Shimizu M., Nishiyama D., Ito M., Ozawa H., Soai K, ―Asymmetric autocatalysis induced by meteoritic amino acids with hydrogen isotope chirality‖, Chem. Commun. 29 4396–4398 (2009) DOI: 10.1039/b908754k.

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Distintas interpretaciones acerca de la homoquiralidad en los sistemas biológicos.

Diana Callejas-Yáñez. Así como nuestras manos tienen dedos y uñas en la misma proporción y distribución, pero en diferente sentido, existen moléculas que poseen características similares. Estas moléculas se llaman enantiómeros y al igual que las manos, no puedes sobreponer una sobre la otra. Pero algo curioso ocurre con estos enantiómeros, en los organismos vivos suele usarse predominantemente uno de ellos, de tal forma que solo encontramos aminoácidos L- y azúcares D-. Este fenómeno se conoce con el nombre de homoquiralidad. Una vez que se tuvo conocimiento sobre lo anterior, surgen preguntas como: ¿por qué la marcada tendencia de los organismos vivos por la homoquiralidad? y una vez resuelta esa pregunta surgen otras más ¿cómo se originó? o ¿qué factores la detonaron? En este texto se abordarán dos perspectivas diferentes que intentan explicar cómo se originó este fenómeno y de qué manera interviene la homoquiralidad en el desarrollo de la vida como la conocemos. Kojić-Prodić y Zoran Štefanić en su trabajo titulado ―Simetría versus asimetría en las moléculas de la vida‖ comparan las propiedades y características de las moléculas que poseen actividad biológica, además describen la relación que existe entre la naturaleza simétrica y asimétrica quiral (1). Adicional a lo anterior definen la simetría y el impacto que tiene tanto en la ciencia básica, como en el desarrollo de las actividades humanas. Los bloques de ensamblaje de las proteínas son homoquirales y carecen de simetría bilateral, pero eso no significa que no se sometan a un patrón o arreglo ordenado. Estos L-aminoácidos forman las hélices alfa y las láminas beta, que presentan un giro hacia la derecha. El análisis que los autores realizaron sobre el ensamble de entidades idénticas es llamado ensamble homomérico. Recibe este nombre ya que los homómeros, son unidades idénticas ensambladas entre sí. Los ensambles homoméricos pueden ocurrir gracias a procesos de aglomeración bajo la influencia de los medios circundantes.

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Los resultados revelaron simetría no cristalográfica en los ensambles de monómeros. Adicional a esto, explican que las proteínas homoquirales podían cristalizar sólo en grupos enantiomórficos, evidenciando así una tendencia definida en las proteínas por la homoquiralidad. Con ello lograron concluir que la conservación en la simetría particular de ensamblaje de proteínas durante la evolución, puede indicar la importancia de la simetría en la función que tiene la proteína. Por otro lado, el artículo publicado por Rodrick Wallace tiene como objetivo reconsiderar las ideas recientes acerca del origen de la homoquiralidad biológica, por medio de análisis en la densidad de la energía libre (2). Todo esto, porque que anteriormente otros grupos de investigación llegaron a la conclusión de que el promedio es racémico, en ejemplo de ello son los experimentos desarrollados por Miller & Urey para explicar el origen de la vida. La manera en que intentó comprobar lo anterior, fue exponiendo el enfoque estándar “grupoide” de la estereoquímica, en un contexto termodinámico general de argumentos de ruptura espontánea de Landau. La idea esencial de este argumento de ruptura, es expresar la energía libre del sistema en serie de potencias con un parámetro de orden, dicho parámetro de orden se obtiene a través de los mínimos de la función cuando el sistema se encuentra en equilibrio. Uno de los resultados finales del desarrollo de otros modelos y funciones para describir la homoquiralidad en los organismos vivos, fue la obtención de la complicada distribución de quiralidad biológica, a través de una muestra estadísticamente grande de la estereoquímica extraterrestre, en marcado contraste con los análisis recientes publicados, que predicen un promedio racémico. Referencias:

[1] Kojić-Prodić B., Štefanić Z, "Symmetry versus Asymmetry in the Molecules of Life: Homomeric protein assemblies", Symmetry (Basel), 2 (2), 884–906 (2010) DOI: 10.3390/sym2020884.

[2] Wallace R, "On the evolution of homochirality", Comptes Rendus Biologies. 334 (4), 263–268. (2011) DOI: 10.1016/j.crvi.2011.01.001.

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La quiralidad en las biomoléculas, del espacio al planeta Tierra.

Denise Hernández. La quiralidad esta propiedad de un objeto al no poder ser superpuesto con su imagen especular, se encuentra presente en las biomoléculas, los aminoácidos siendo de los pilares fundamentales de la vida al formar proteínas presentan enantiómeros de la forma L- y D- pero solamente la forma L- es usada por las células, los azúcares que forman parte del esqueleto de los ácidos ribonucleicos, ARN y ADN respectivamente, son de la forma D-. Esto ha llevado a los científicos a cuestionarse acerca de ¿Cuál es el origen de la quiralidad en las biomoléculas, es decir en las moléculas de la vida?, ¿Por qué seleccionó la Naturaleza a los L-aminoácidos y a los D-azúcares? ¿Por qué no ambos? S.Pizzarello y colaboradores [1], hicieron un importante descubrimiento acerca del origen de la quiralidad en las biomoléculas, a partir del estudio de la composición orgánica soluble de un meteorito Carbonáceo. Las condritas carbonáceas (CC) son fragmentos de asteroides primitivos que contienen un registro único de la evolución química que vino a preceder la vida terrestre en el sistema solar. Estos meteoritos tienen una compleja composición orgánica y contienen estructuras tan diversas como el querógeno(a), macromoléculas y compuestos solubles simples. Dentro de este conjunto complejo, las (CC) también tienen homólogos idénticos en la biosfera; por ejemplo: ocho de los aminoácidos proteicos, así como niacina y otros ácidos carboxílicos que son nativos de los meteoritos, según lo verificado por sus firmas isotópicas extraterrestres. Adicionalmente, algunos de los aminoácidos quirales de las (CC) muestran excesos enantioméricos (ee) que, aunque no tan extensos tienen la misma configuración L- de los aminoácidos terrestres El meteorito analizado por Pizarello y colaboradores es conocido como GRA 95229, es excepcional por haber escapado de la mayoría de la contaminación terrestre y único por tener una preponderancia de especies solubles en agua. En el GRA los aminoácidos son los compuestos solubles más abundantes seguidos de las aminas.

(a)

El querógeno es la porción de materia orgánica natural no extraíble con solventes orgánicos. Los componentes orgánicos típicos del querógeno son las algas y el material vegetal leñoso. Los querógenos poseen un alto peso molecular.

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Tres fragmentos interiores del meteorito GRA 95229 se utilizaron para los análisis. Los fragmentos A y B de masa 600 y 856 mg, respectivamente, fueron pulverizados en un mortero de ágata. Los polvos se extrajeron con 4 ml de agua de triple destilación en viales evacuados, a 100 ° C, durante 20 h, con intermitente sonicación. Los extractos fueron separados del polvo por centrifugación seguido de cuatro enjuagues de agua de 1 ml. El análisis mostró aminoácidos no racémicos, con un porcentaje mayor de D-aminoácidos como la alanina y el ácido glutámico y en menor número los L-. La gran diversidad de moléculas no racémicas en los análisis puede tener un profundo significado prebiótico. La asimetría quiral es una herramienta molecular esencial para la interacción de las biomoléculas existentes y es a través de la homoquiralidad que la vida asegura las funciones críticas de sus polímeros. El meteorito 95229 ha ampliado el panorama del material orgánico prebiótico que habría estado disponible en la tierra primitiva. Hasta la fecha, estos aminoácidos no racémicos de los meteoritos carbonáceos [2], proporcionan el único ejemplo de la asimetría molecular medidas fuera de la biosfera. Referencias: [1] Pizzarello S., Huang Y., Alexandre M. R, " Molecular asymmetry in extraterrestrial chemistry: Insights from a pristine meteorite‖, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 105 (10) 3700–3704 (2008) DOI:10.1073/pnas.079909105 [2] Pizzarello S, ―The chemistry of life’s origin: a carbonaceous meteorite perspective‖, Accounts of chemical research, 39 (4) 231–7 (2006) DOI:10.1021/ar050049

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Moléculas quirales Enantioselectividad, toxicidad y aplicaciones en la medicina

Ingrid Salazar-Carreón.

Se sabe que en la naturaleza existen moléculas que cumplen con distintas funciones, siendo muchas de ellas moléculas quirales. Los enantiómeros de algunas moléculas pueden ser de gran ayuda en el ámbito médico, puesto que son utilizados como herramientas de uso cotidiano en salas de emergencia y quirófanos, mientras que otros son la clave para tratar enfermedades que se pensaban incurables. Es por ello que surge la interrogante, ¿a qué se debe que la naturaleza escoja a un enantiómero sobre el otro? Zhang y colaboradores [1] estudiaron cómo las 1,3 dionas del ciclohexano inhiben de manera considerable el efecto tóxico del superóxido-dismutasa1 (SOD1) mutante en pacientes con esclerosis lateral amiotrófica (ELA). En su trabajo se describe que la prueba fue realizada en ratones con esta mutación, como resultado se obtuvo que las 1,3 dionas del ciclohexano lograran aumentar significativamente la vida de los ratones con ELA, más de lo que lo hace el riluzol, que es el único fármaco recomendado para el tratamiento de esta enfermedad. Debido a una mutación en el SOD1, las neuronas del paciente se ven afectadas, lo que causa cierta atrofia progresiva en sus articulaciones, provocando dificultad para moverse, respirar o comer, llegando a un punto en el que el paciente muere por una falla respiratoria. Por otra parte, Tsuchiya y Mizogami [2], explican que existe una preferencia entre enantiómeros en el cuerpo. Esto es de gran relevancia en la medicina, pues el efecto que tiene un fármaco dependerá de cual sea el enantiómero que lo componga, ya que podría darse el caso en que un enantiómero sea tóxico y el otro tenga efectos benéficos.

Ciertos fármacos como la anestesia, los anti-inflamatorios, analgésicos, entre otros, suelen ser enantiómeros que no sólo interactúan con las proteínas del cuerpo, sino que también interactúan con los lípidos en las membranas y tejidos. Los autores proponen una hipótesis sobre esta interacción y exponen que probablemente, de un racemato, uno de los enantiómeros al entrar en contacto con los lípidos de los tejidos, induce cambios en ellos provocando ciertos efectos en el sistema cuando el otro enantiómero no lo hace.

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Referencias:

[1] Zhang Y., Benmohamed R., Zhang W., Kim, J., Edgerly, C. K., Zhu, Y., Morimoto R. I., Ferrante R. J., Kirsch D. R., Silverman, R. B, "Chiral cyclohexane 1,3-diones as inhibitors of mutant SOD1-dependent protein aggregation for the treatment of ALS". ACS Med. Chem. Lett. 3 (7) 584–587 (2012) DOI: 10.1021/ml3000963.

[2] Tsuchiya H., Mizogami M, ―The membrane interaction of drugs as one of mechanisms for their enantioselective effects‖. Med. Hypotheses. 79 (1) 65–67 (2012) DOI: 10.1016/j.mehy.2012.04.001.

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Origen cósmico de la homoquiralidad en el planeta Tierra y técnicas de detección de la quiralidad por espectros

vibracionales.

Karla R. Sánchez-Liévanos.

La quiralidad es un tema central y unificador en la ciencia moderna. Vincula las propiedades del universo y sus partículas elementales constituyentes, a través de la estereoquímica orgánica, la estructura y el comportamiento de las moléculas de la vida, con muchas otras cosas (óptica no lineal, la nanotecnología, materiales, ingeniería eléctrica, la industria farmacéutica, astrobiología, el origen de la vida, etc.). Una pregunta importante es el origen de la homoquiralidad en la tierra, a la que se le ha buscado respuesta desde hace mucho tiempo. En este escrito intentamos proporcionar un vistazo de algunos trabajos recientes que podrían arrojar luz sobre este asunto. Por un lado el análisis de ensayos de laboratorio y simulaciones que se espera vincular próximamente con datos de origen extraterrestre (Misión Rosetta) [1]. Por el otro, el desarrollo de técnicas de teledetección para la búsqueda de vida genérica.

Myrgorodska y colaboradores en su trabajo sobre el análisis de quiralidad en meteoritos y en hielos interestelares, trataron de vincular simulaciones experimentales previas con la información obtenida del análisis estereoquímico de la materia orgánica extraterrestre [2]. Su objetivo fue utilizar esto como base para la interpretación de los datos que enviará Rosetta próximamente y comprender los excesos enantioméricos detectados en muestras extraterrestres y en hielos de ciertos cometas.

Como propósito se plantearon dar una visión general de los estudios actuales sobre la homoquiralidad de la vida como resultado de la evolución asimétrica de la materia cósmica, y destacaron las hipótesis científicas existentes sobre la fuente del sesgo quiral en biomoléculas [4]. La simulación experimental de hielos se llevó a cabo empleando los métodos de radiación UV de H2O:CH3OH:NH3:CO:CO2 (2:1:1:1:1) y CPL (Polarización circular de la luz). Los datos obtenidos de las muestras de meteoritos fueron analizados aplicando las técnicas MDGC (Cromatografía de gases multidimensional), CD (Dicroísmo circular) y CM (Dicroísmo magneto-quiral).

Con base en el análisis de los resultados obtenidos en la simulación experimental, se concluyó que la radiación UV-CPL es un candidato probable de la influencia en la asimetría.

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Los resultados esperados desde el módulo de quiralidad de Rosetta, se piensa, proporcionarán una visión de la estereoquímica de moléculas prebióticas en objetos interestelares. La detección de moléculas quirales prebióticas en los cometas será un paso para comprender el surgimiento y desarrollo de la vida homoquiral.

Pero no siempre hay Rosetta, así es que en ocasiones los experimentos de análisis de quiralidad se hacen con seres terrestres y técnicas espectroscópicas. Esto fue lo que Sparks y colaboradores emplearon en su investigación para la detección de polarización circular en la luz dispersada por microbios fotosintéticos [3]. El equipo esperó demostrar que la polarización circular surge del dicroísmo circular de las fuertes transiciones electrónicas de bandas de absorción fotosintética, presentando la detección de polarización circular en la luz dispersada por microbios fotosintéticos. Para lograrlo emplearon técnicas de polarimetría y espectrometría Raman, que les permitieron demostrar que la espectroscopía de polarización circular podría ser una técnica de teledetección relevante para la búsqueda de vida genérica. Estos resultados refuerzan la hipótesis de que el origen de la homoquiralidad es prebiótico y cósmico, en otras palabras, interestelar [4]. Según los escenarios estudiados por el equipo de Myrgorodska, el transporte del material orgánico extraterrestre que contiene un exceso enantiomérico sintetizado mediante procesos astrofísicos asimétricos (en este caso, la radiación UV-CPL) es la posible causa de la asimetría de las moléculas de la vida en la Tierra. Estos resultados implican que la selección de un enantiómero solo para las moléculas de la vida observada en la Tierra no es resultado de la casualidad, sino de un mecanismo físico determinista. Una aplicación importante de ese tipo de radiación es la que encontró el equipo de Sparks en donde la espectroscopía de CPL fue considerada como una probable técnica trascendental de teledetección para la búsqueda de vida genérica.

Referencias.

[1] Gibney E., ―Rosetta probe makes history by landing on comet‖. Nature News [online]. 12 November 2014. DOI:10.1038/nature.2014.16340

[2] Myrgorodska I., Meinert C., Martins Z., Le Sergeant d'Hendecourt L. Meierhenrich U, ―Molecular Chirality in Meteorites and Interstellar Ices, and the Chirality Experimenton Board the ESA Cometary Rosetta Mission‖, Angew. Chem. Int. Ed. 54 1402–1412 (2015) DOI: 10.1002/anie.201409354

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[3] Sparks B., Hough J., Germer T., Chen Feng, ―Detection of circular polarization in light scattered from photosynthetic microbes‖, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106 7816-7821 (2009) DOI: 10.1073/pnas.0810215106

[4] Alday L., Sánchez K., Tamayo A., Salazar I. Quiralidad en el universo. https://karlasanlie.wordpress.com/2015/03/20/quiralidad-en-la-naturaleza. (consultado Mayo 23, 2015).

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La quiralidad en la neurociencia: enfermedad de Parkinson. Adináh Tamayo Badillo.

La quiralidad es una de las propiedades químicas más interesantes en el campo científico. Actualmente, es de ayuda en la química médica ya que en conjunto con la farmacología, la nanoquímica, la informática, la bioquímica y la biotecnología, podemos entender más acerca del funcionamiento del cuerpo humano, y así desarrollar medicamentos que den tratamiento a diferentes tipos de enfermedades.

El objetivo de este texto es dar a conocer el progreso que ha experimentado la química médica, en particular la neurociencia.

La neurociencia ha sido categorizada como ―el reto más importante para la ciencia biomédica de este siglo‖ [1], y uno de los desafíos que enfrenta desde hace algunas décadas es la enfermedad de Parkinson.

Se han usado distintos medicamentos para tratar la enfermedad de Parkinson. S. Thobois y sus colaboradores [2] mencionan algunos de ellos, entre los que se encuentra la amantadina un agente antiviral. Este fármaco no ha sido evaluado pero, la evidencia sugiere que es capaz de reducir de las discinesias, manifestadas por movimientos musculares involuntarios. Sin embargo, presenta efectos secundarios como confusión, alucinaciones y reacciones periféricas como edema del tobillo y livedo reticularis, éste padecimiento se manifiesta con un cambio en la coloración de la piel. A pesar de que existen otros medicamentos capaces de tratar el Parkinson, la droga predilecta es la L-DOPA.

Este medicamento tuvo su introducción al mercado en 1960 y ha sido el estándar de oro para el tratamiento sistemático de la enfermedad de Parkinson [2]. Está presente en la dihidroxi fenilalanina, racemato también conocido como dopa, y es conformado por 2 enantiómeros (D-DOPA y L-DOPA).

Corodato y su equipo mencionan en su escrito ―Estereoquímica en medicina clínica: una perspectiva neurológica” [3] el proceso de experimentación que tuvo el L-DOPA antes de ser comercializado, ambos enantiómeros D y L fueron administrados en pacientes que padecían la enfermedad de Parkinson. El D-DOPA fue aplicado a 16 pacientes, sin embargo los resultados indicaron que no era metabolizado. El L-DOPA se administró por vía oral a 28 pacientes, cuatro de los cuales respondieron modestamente, cuatro moderadamente, y 10 de forma dramática. El L-DOPA actúa reemplazando la dopamina perdida durante la enfermedad sin perder la velocidad metabólica.

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Sin embargo, el uso de L-DOPA a largo plazo manifiesta dos efectos secundarios: fluctuaciones motoras y disquinesia inducida por L-DOPA debilitante (LID).

Ostock y sus colaboradores en su investigación sobre la modulación de L-DOPA, se plantearon cómo objetivo localizar los procesos que provocaban el LID. Generalmente es aceptado que este es provocado por la liberación excesiva de derivados de DOPA, pero ellos deseaban saber los procesos que tenían lugar en el sistema nervioso central. Para esto usaron clonidina agonista α2R y el antagonista atipamezol α2R, un modelo de rat hidroxidopamina para determinar el papel de a2-adrenérgicos (A2R) en el L-DOPA, y de esta forma conocer cómo se desarrollan los efectos secundarios que el L-DOPA produce [4].

Los resultados obtenidos en esta investigación indicaron que el atipamezol mejora de manera ligera la severidad del LID y la actividad que induce el L-DOPA. Si bien no se pudo conocer qué procesos dan lugar al LID, los resultados obtenidos son de gran ayuda para combatir esta enfermedad, ya que pueden ser la base para desarrollar un nuevo medicamento antiparkinsoniano con las propiedades curativas del L-DOPA, pero sin provocar el LID.

Referencias:

[1] Greenfield, S. A. Biotechnology, the brain and the future. Trends in Biotechnology, 2005.

[2] Thobois S., Delamarre-Damier F., Derkinderen P, "Treatment of motor dysfunction in Parkinson’s disease: an overview", Clin. Neurol. Neurosurg. 107 (4) 269–281 (2005) DOI: 10.1016/j.clineuro.2005.02.002.

[3] Cordato D. J., Mather L. E., Herkes G. K, "Stereochemistry in clinical medicine: a neurological perspective". J. Clin. Neurosci. 10 (6) 649–654 (2003) DOI: 10.1016/j.jocn.2002.10.001.

[4] Ostock C. Y., Hallmark J., Palumbo N., Bhide, N., Conti, M., George, J. A., Bishop C, "Modulation of L-DOPA’s antiparkinsonian and dyskinetic effects by α2-noradrenergic receptors within the locus coeruleus", Neuropharmacology. 95 215–225 (2015) DOI: 10.1016/j.neuropharm.2015.03.008.

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¿Qué gemela eres? La importancia de la caracterización de compuestos quirales

Diana Callejas-Yañez. K. Ariadna Colín M.

Rodolfo Martínez Romero. Daniela S. Arana.

Estefanía de J. Terán S.

¿Reconocerías a tu padre, madre o hermanos dónde quiera que sea? La mayor parte de nosotros responderíamos afirmativamente. Lo mismo pasa con los receptores celulares, ellos reconocerían las moléculas que los complementan pase lo que pase.

La mayoría de las moléculas con actividad biológica poseen una hermana gemela, pero en el mundo molecular no se llaman gemelas, se llaman enantiómeros. Estas moléculas tienen la misma composición molecular, pero diferente distribución espacial, se trata de su imagen en el espejo.

Propiedades de los enantiómeros.

Las propiedades que hacen diferentes a dos enantiómeros están relacionadas con su distribución espacial y la interacción con otras moléculas.

La densidad y las temperaturas de fusión o ebullición son las mismas para ambos enantiómeros debido a que no dependen de la quiralidad de la molécula.

Los enantiómeros son ópticamente activos y desvían la luz polarizada en una de las dos direcciones posibles. Se asigna la letra D cuando desvían la luz polarizada a la derecha del plano o L cuando la desvían a la izquierda (Véase fig.1). Esta propiedad es de gran utilidad ya que mediante técnicas de polarimetría es posible determinar la actividad óptica de los enantiómeros.

Figura 1. Actividad óptica de los enantiómeros, desviación de la luz polarizada.1

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Los compuestos quirales pueden ser clasificados con relación al orden en que están distribuidos los átomos en R o S, (véase fig 2). Dicha clasificación es el resultado de un acuerdo ente químicos con el fin de identificar a una molécula quiral sin conocer su actividad óptica. La clasificación se basa en numerar a los grupos unidos a un centro quiral dependiendo de su peso molecular. R son aquellas moléculas que tienen un ordenamiento en sentido horario, mientras que S en sentido antihorario.

Esta configuración no guarda relación alguna con el signo del ángulo de la rotación L o D.

Figura 2. Representación gráfica de la configuración R y S en los enantiómeros.2

Caracterización de compuestos quirales.

La caracterización es el conjunto de herramientas utilizadas con el fin de identificar los enantiómeros. Sirve para confirmar la proporción de cada uno de ellos y su pureza una vez que han sido separados.

Es un proceso importante para la utilización de moléculas quirales en la industria de materiales, alimentaria, agroquímica, médica y farmacéutica. Por ejemplo, en la industria farmacéutica la mayoría de los medicamentos son moléculas quirales y sólo uno de los enantiómeros es activo. Esto se debe a que sólo una estructura coincide con el receptor celular.

Las empresas farmacéuticas están interesadas en el desarrollo de métodos para la síntesis enantioselectiva, que permita preparar un enantiómero preferentemente y no una mezcla racémica.

Cuando se requiere sólo uno de los enantiómeros, es necesario identificar un proceso de separación. Los métodos más comunes son los siguientes:

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Cristalización.

Técnicas cromatográficas.

Una vez purificada la muestra, se determina la disposición de sus átomos. Las técnicas utilizadas son la resonancia magnética nuclear, difracción de rayos X, entre otras, las cuales cumplen 3 propósitos:

1. Identificar la distribución de sus átomos.

2. Analizar cuantitativamente las mezclas.

3. Determinar estructuras tridimensionales.

La resonancia magnética nuclear, normalmente es utilizada para identificar a las moléculas con dos o más centros quirales, las cuales no son imágenes especulares y se conocen como diasteroisómeros.

Los diasteroisómeros tienen propiedades físicas y químicas distintas. Por ejemplo, los puntos de ebullición y fusión del ácido tartárico L son de 399 °C y 171 °C respectivamente, su estructura se puede observar en la fig. 4; mientras que el punto de ebullición del ácido tartárico D (véase fig. 3), es de 356 °C y su punto de fusión de 173 °C.

Figura 3. Estructura tridimensional del ácido tartárico D. 3

Figura 4. Estructura tridimensional del ácido tartárico L. 4

Quiralidad en los fármacos.

La actividad de las moléculas quirales que son fármacos puede ser descrita de acuerdo con su interacción con el receptor celular y depende de tres factores

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estructurales: La estereoquímica de la molécula, la distancia entre los átomos o grupos, y la distribución electrónica.

Cuanto mayor sea el grado de afinidad entre el receptor y el enantiómero, mayor será la especificidad y la actividad del fármaco. Esta complementariedad aumenta con la formación del complejo fármaco-receptor. La sustitución de un grupo funcional voluminoso por otro pequeño, el cambio en la disposición espacial de los grupos por inversión en un centro asimétrico o el cambio de dirección de un dipolo dentro de la molécula; puede alterar profundamente la estabilidad del complejo fármaco-receptor (Véase fig. 5).

Figura 5. Unión celular entre una sustancia química y su receptor. 5

Fármacos de naturaleza quiral.

Muchos compuestos farmacéuticos se comercializan como mezclas racémicas. Es conveniente que el fármaco sólo contenga el enantiómero de interés, ya que el otro es inocuo y no es aprovechado por el organismo.

Cada enantiómero en relación a su estructura puede interactuar con los sitios de unión en enzimas y receptores celulares. Es muy importante tomar en cuenta que desde el punto de vista del desarrollo de nuevos fármacos y en cuanto a su mecanismo de acción, que la mayoría de ambientes biológicos consisten en moléculas enantioméricas (aminoácidos, nucleósidos, carbohidratos y fosfolípidos) esto hace que tenga sentido de que los fármacos desarrollados deban ser también quirales.

Un ejemplo de ello es el ritalin, el cual es utilizado en el tratamiento del trastorno déficit de atención, donde el compuesto R es aproximadamente diez veces más eficaz que el S. Otro ejemplo es el propoxifenol (R, S) es un analgésico y el (S, R) antitusivo y presentan diferencias cualitativas de actividad.

Adicional a la importancia que tiene la caracterización en la industria farmacéutica, puede destacarse que es primordial llevarla a cabo en cualquier sustancia quiral que tenga contacto con organismos vivos.

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Referencias:

[1] Actividad óptica de los enantiómeros, desviación de la luz polarizada. http://image.slidesharecdn.com/polarimetria-101031200833phpapp01/95/polarimetria-9-638.jpg?cb=1422670182 (consultado Marzo 25, 2015).

[2] Representación gráfica de la configuración R y S en los enantiómeros. http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/1000/1165/html/acido_lactico(R-S).png (consultado Marzo 25, 2015)

[3] Estructura tridimensional del ácido tartárico D. https://www.wolframalpha.com/input/?i=d-tartaric+acid&lk=4&num=1 (consultado Marzo 25, 2015)

[4] Estructura tridimensional del ácido tartárico L. https://www.wolframalpha.com/input/?i=l-tartaric+acid (consultado Marzo 25, 2015).

[5] Unión celular entre una sustancia química y su receptor. http://nobeldev.cuaed.unam.mx/bdistancia_ecoesad/contenido/numeros/numeroEsp/mini-sit-unam/mini-CSI/demoCSI_unidad2/Unidad_2/img/a18u2t02p02e02.gif (consultado Marzo 25, 2015)

Subramanian, G. Chiral Separation Techniques. WILEY-VCH: Alemania, 2001.

Carey, F. Organic Chemistry Part A: Structure and Mechanisms. Kluwer Academy. 2000; pp 197-203.

McMurry, J. Química Orgánica CENGAGE Learning. 2007; pp 73 – 78, 217, 328 – 330.

ACS. Química, un proyecto de la ACS. Editorial REVERTÉ. 2011; pp 28, 30, 32.

Peck, R.; Gale, P. Characterization or Organic Compounds. American Chemical Society, 24 1952.

Patrick, J.; Walsh, M.; Kozlowski, C. Fundamentals of Asymmetric Catalysis. University Science Books, 2009.

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Técnica de separación quiral

K. Ariadna Colin M. Más de la mitad de los fármacos utilizados son quirales y sólo el 25% de ellos son administrados como enantiómeros puros. El desarrollo de métodos para el análisis enantioselectivo es muy importante para el control de calidad de los medicamentos. Entre los más utilizados, además de los métodos cromatográficos, se pueden encontrar técnicas de electroforesis capilar que han demostrado ser potentes alternativas para la separación quiral. La electroforesis capilar es utilizada en diferentes áreas de la investigación, como en la biotecnología, farmacia y medicina. Permite separar diferentes analitos como iones, biomoléculas y células, esta técnica proporciona resultados en un tiempo corto, una alta eficiencia de separación y una alta sensibilidad con un consumo de muestra mínimo. La separación se basa en las diferentes movilidades electroforéticas adquiridas por los analitos dentro del capilar al aplicar un campo eléctrico. Se ha demostrado que la CE (electroforesis capilar) es una técnica adecuada para pruebas de pureza de un enantiómero y cuantificación de las drogas (véase fig.1).

Gübitz y Schimd en su trabajo ―Separación quiral mediante técnicas de electromigración capilar‖ [1], tienen como propósito revisar diferentes principios de separación quiral, también ofrecen un panorama de los nuevos avances en este campo. Ésto lo logran explicando los principios básicos de separación quiral y analizando los mecanismos. Se hace énfasis en técnicas recientes, como la electroforesis capilar de zona (CZE) y la electrocromatografía capilar (CEC).

El hecho de que la unión de los fármacos a proteínas séricas se lleva a cabo enantioselectivamente, condujo a la investigación al uso de proteínas como selectores quirales. Las proteínas pueden ser cargadas positiva o negativamente dependiendo del pH aplicado. Sus cargas les dan movilidad electroforética y pueden ser utilizadas para la separación de analitos neutros, básicos y ácidos. Las proteínas forman una estructura terciaria, que es probablemente la responsable del reconocimiento quiral.

Posteriormente, Gübitz y Schimd retomaron las técnicas ya mencionadas, pero desde otro punto de vista. En su investigación de enantioseparación mediante

Figura 1. Electroforesis capilar.

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técnicas cromatográficas y de electromigración utilizando intercambio de ligando como principio de separación quiral [2], presentan una breve visión general de la aplicación del principio de intercambio de ligando quiral en HPLC (cromatografía líquida de alto rendimiento), CE y CEC.

En general, la resolución quiral se logra mediante el uso de una interacción enantioselectiva entre un selector quiral y el analito. Algunos ejemplos de selectores quirales son ciclodextrinas, antibióticos macrocíclicos, hidratos de carbono, proteínas y complejos metálicos quirales. El uso de complejos metálicos quirales para la enantioseparación sigue el principio de ligando de intercambio (véase fig 2), el cual se basa en la formación de complejos metálicos mixtos ternarios diastereoméricos entre el ligando selector quiral y el analito.

El intercambio de ligando ha demostrado ser una técnica ampliamente aplicable. Se puede utilizar en HPLC, CE, y CEC, debido a que los ligandos del selector utilizado, se basan en aminoácidos u otros compuestos comercialmente disponibles, esta técnica puede ser considerada como simple y barata.

Referencias:

[1] Gübitz G., Schmid M. G, ―Chiral separation by capillary electromigration techniques‖, Journal of chromatography. A 1204 140–56 (2008) DOI: 10.1016/j.chroma.2008.07.071

[2] M. G. Schmid., G. Gübitz, ―Enantioseparation by chromatographic and electromigration techniques using ligand-exchange as chiral separation principle‖, Analytical and bioanalytical chemistry 400 2305–16 (2011) DOI: 10.1007/s00216-011-4737-5

Figura 2. Ligando de intercambio

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Purificación de moléculas quirales por HPLC

Rodolfo Martínez Romero

Las industrias de materiales, alimentaria, agroquímica, médica y farmacéutica están interesadas en el desarrollo de métodos para la síntesis enantioselectiva, que permitan preparar un enantiómero específico y no una mezcla racémica.

Es difícil obtener un producto único en las reacciones por lo que en esos casos se requiere llevar a cabo un proceso de separación. Los métodos más comunes son:

Cristalización.

Técnicas cromatográficas.

Entre las técnicas cromatográficas más utilizadas se encuentra la cromatografía liquida de alta eficiencia, también conocida como HPLC por sus siglas en inglés High Performance Liquid Chromatography la cual es utilizada para separar los componentes de una mezcla basándose en los diferentes tipos de interacciones químicas y físicas entre las sustancias analizadas, una fase móvil y una fase estacionaria.

Xuejun Zhang y sus colaboradores estudiaron la enantioseparación de tres anti-inflamatorios no esteroidales por HPLC [1]. Investigaron la influencia que tiene la composición de la fase móvil incluyendo el tipo y concentración de los modificadores en hexano sobre las estructuras de los analitos en la separación quiral de naproxen (a), ketoprofen (b) y etodolac(c).

a) b) c) En el método utilizado por ellos, la fase móvil estuvo formada por una solución de hexano con alcohol, se hicieron diversas fases móviles variando el alcohol utilizado y el porcentaje de los mismos, también se utilizó ácido acético (HAC) y éter metil tert-butílico (TBME). Las muestras fueron disueltas en etanol. Todos los solventes y la fase móvil fueron filtrados en una membrana de 0,45 m y

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desgasificados en un baño ultrasónico antes de su uso. La temperatura de la columna fue 25 °C.

La detección de UV se realizó a la longitud de onda máxima absorción. Como fase estacionaria se utilizó CHI-DMB y (R,R)-DNB-DPEDA CSP (Véase fig.1)

Figura 1. Estructura de a) CHI-DMB y b) (R,R)-DNB-DPEDA

Con el fin de estudiar la influencia de los modificadores de alcohol en los factores de retención (k'), la resolución (RS) y el factor de separación (α) para cada solutos, la concentración de iso-propanol en hexano fue variado.

Como resultado se obtuvo que en la enantioseparación del naproxeno, ketoprofeno y etodolac, el mecanismo de reconocimiento quiral de solutos en cada fase estacionaria fuera diferente. En CHI-DMB, las interacciones de enlace de hidrógeno desempeñaron un papel importante en el reconocimiento quiral.

También se demostró que la enantioselectividad y retención también dependen de la naturaleza y grupos funcionales en el anillo aromático de solutos y de la fase estacionaria. El factor de retención y la resolución disminuyeron con el aumento de la concentración de iso-propanol en fase móvil.

Cuando la fase estacionaria utilizada fue (R, R)-DNB-DPEDA CSP el iso-propanol fue el modificador más favorable y n-Butanol el modificador menos favorable para el naproxeno. Para el etodolac se obtiene una mejor separación utilizando etanol como modificador alcohólico y se obtiene peor enantioseparación usando iso-propanol. Los resultados sugieren que la interacción de puente de hidrógeno entre el soluto y la fase estacionaria no es importante para el reconocimiento quiral en este caso.

Por otro lado L. Ruiz-Rodríguez y sus colaboradores investigaron lo viable que es utilizar un método de micro-extracción (DLLME) y extracción en fase sólida (SPE) para la extracción y determinación de imazalil en muestras de jugo de naranja por detección quiral HPLC [2]. El Imazalil ([1-(β-allyloxy-2,4-dichlorophenethyl) imidazole]) es un fungicida quiral utilizado en la protección post-cosecha de

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cítricos contra el desarrollo de hongos durante el almacenamiento y transporte de los frutos.

La estructura química de imazalil (véase fig. 2) muestra un carbono asimétrico en la posición de C7. Estos enantiómeros pueden tener diferente toxicidad.

Figura 2. Estructura del imazalil.

Se realizó la extracción de los enantiómeros quirales en jugo de naranja para determinar su concentración y estudiar los índices de degradación en el jugo de naranja.

Para el desarrollo de su investigación todos los reactivos utilizados eran de grado analítico y las soluciones fueron filtradas a través de una membrana de nylon 0,2 μm y desgasificadas antes de su uso. Se realizaron análisis de pesticidas por DLLME y SPE con alícuotas de esta solución preparada con agua para obtener una concentración de 100 μg ml-1 y se mantuvieron en ausencia de luz a 4 °C en el refrigerador. La muestra de jugo de naranja sin co-precipitado (6 ml) o una solución acuosa estándar (6 ml) se colocó en un tubo de vidrio de 10 ml con fondo cónico.

Una solución turbia a base de agua, acetonitrilo y tetraclorometano se formó en el tubo de ensayo y el fungicida en la fase acuosa se extrajo en gotitas finas. La solución resultante nublada se centrifugó durante 18 minutos a 5390 rpm. La fase más densa fue quitada con una jeringa. La fase más densa de las dos extracciones se aforo con metanol hasta 1 ml. El volumen de inyección en HPLC fue de 5 μl.

Como resultados obtuvieron que la extracción enantiomérica era proporcional a la cantidad presente en el jugo. SPE proporciona alta recuperación dentro de muy poco tiempo en comparación con DLLME. Estos métodos tienen ventajas tales como, simplicidad, facilidad de operación y son métodos ecológicos porque el consumo de disolventes orgánicos tóxicos fue minimizado y era demasiado bajo.

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Referencias

[1] Zhang Xuejun., Zou L, ―Enantioseparation of Three Non-Steroidal Anti-Inflammatory Agents on Chiral Stationary Phase by HPLC‖, Journal of Analytical Sciences, Methods and Instrumentation. 02 18–23 (2012) DOI: 10.4236

[2] Aguilar A., Díaz A., Sánchez F, ―Enantioseparation of the Fungicide Imazalil in Orange Juice by Chiral HPLC. Study on Degradation Rates and Extractive / Enrichment Techniques‖, Food Chemistry. 178 179–85 (2015) DOI:10.1016

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Espectroscopía de resonancia magnética nuclear para enantiómeros

Daniela S. Arana.

En el nanomundo nos encontramos con moléculas que tienen los mismos componentes y propiedades físicas, se parecen entre sí pero tienen diferente distribución espacial. Estas moléculas se llaman enantiómeros.

En algunas ocasiones nos interesa solo uno de los enantiómeros de una molécula y existen vías para obtenerlo. Conseguir este exceso enantiomérico es posible mediante síntesis catalítica asimétrica.

El proceso de síntesis asimétrica es de bastante utilidad en la industria. Por ejemplo: en el caso de la industria farmacéutica, en algunos medicamentos el componente activo solo es uno de los enantiómeros y el otro simplemente no es aprovechado. Si cada vez analizamos más acerca de su presencia e interacción en la vida cotidiana, nos daremos cuenta que están presentes en todo nuestro entorno, sin embargo debe de existir responsabilidad en la creación y uso de ellos.

Para conocer el enantiómero de interés es importante conocer sus características y comportamiento. Con el fin de lograrlo, existen varias técnicas que en conjunto son llamadas ―Caracterización‖, con las que es posible obtener un análisis detallado de los componentes presentes en una muestra.

Una de estas técnicas es la resonancia magnética nuclear (RMN), la cual nos proporciona información cualitativa y cuantitativa de las moléculas. Es bastante útil ya que no es una técnica destructiva. El fundamento principal de la resonancia magnética nuclear es la absorción de energía por un núcleo magnéticamente activo. Esta técnica fue fundamental en dos experimentos en específico:

Generalmente, los espectros obtenidos por la RMN presentan interferencias de picos, lo cual dificulta la resolución de éste. Los científicos S. Chaudhari y N. Sunyprakash desarrollaron un método de resonancia magnética en dos dimensiones para lograr descifrar estos picos [1]. Hoy en día se han desarrollado métodos para reducir el solapamiento o tratar de suprimirlo por completo pero ninguno logra hacerlo de manera ventajosa.

El uso de espectroscopia de 1H RMN parece ser el más útil, ya que el H está presente en todas las moléculas orgánicas y los espectros obtenidos son de fácil resolución. Este método consiste en excitar a los protones de la muestra a analizar de tal forma que los picos de los enantiómeros sean separados y sea fácil identificarlos con las respectivas señales que emiten.

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Ese procedimiento aparte de identificar a los enantiómeros o diasteroisómeros presentes, también es de gran ayuda para conocer los excesos enantioméricos.

Los científicos Y. Zhao y T.M. Swager desarrollaron un método para la diferenciación de enantiómeros mediante el uso de espectroscopia de 19F RMN, el cual es bastante útil en la identificación es de estructuras complejas [2]. En este experimento, fueron utilizadas aminas alifáticas y aromáticas para el análisis, junto con un complejo de paladio. El procedimiento básicamente consistía en provocar cambios en el sitio de coordinación, mediante la interacción con los enantiómeros del analito, de tal manera que emitieran señales distintas útiles para su diferenciación e identificación. Este método podría ser de gran utilidad en la síntesis asimétrica, ya que en este tipo de procedimientos encontramos muchas moléculas complejas. A pesar de que este método tiene gran aplicabilidad no quedan exentos de tener interferencia de residuos o contaminantes en el espectro.

Hoy en día contamos con muchas herramientas para sintetizar compuestos y analizarlos de manera profunda, evitando riegos por la ignorancia que esto puede provocar.

Referencias:

[1] Lokesh., Sachin C., N Suryaprakash, ―RES-TOCSY: A Simple Approach to Resolve Overlapped 1H NMR Spectra of Enantiomers‖, Organic & Biomolecular Chemistry 12. 6 993–97 (2014) DOI:10.1039/c3ob42087f.

[2] Yanchuan Z. and T. M. Swager, ―Simultaneous Chirality Sensing of Multiple Amines by 19 F NMR,‖ Journal of the American Chemical Society. 9 3221–3224 (2015) DOI:10.1021/jacs.5b00556.

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¿Cuál de los enantiómeros tengo en mayor cantidad?

Estefanía de J. Terán S.

Vivimos en un planeta donde a cada segundo se realizan millones de reacciones químicas, ya sea en nuestro medio ambiente, en un laboratorio, hasta en nuestro propio cuerpo, las cuales despiertan la curiosidad del ser humano. Actualmente el estudio de moléculas quirales, es un tema en el que varios científicos han dirigido su investigación, debido a que estas moléculas se encuentran presentes en muchas de las reacciones importantes. La quiralidad es una propiedad que se basa en la simetría tridimensional de las moléculas. Existen dos formas de presentación de una molécula, las cuales se llaman enantiómeros, que son dos moléculas con la misma composición atómica, pero diferente distribución espacial. Por esta razón, reaccionan de distinta forma. Es muy difícil tener solo uno de los enantiómeros de forma natural, normalmente se encuentran en mezclas racémicas la cual es una combinación de enantiómeros, que fueron el resultado de procedimientos que pueden ser sintéticos o naturales. Las mezclas racémicas son muy comunes en los procesos industriales, pero en los últimos años las industrias, no sólo se han interesado por la obtención de los enantiómeros y controlar su forma de reaccionar, sino en la obtención de uno sólo de los enantiómeros, con fines económicos. La caracterización, es el conjunto de herramientas con las cuales se puede determinar cuál de los enantiómeros se encuentra presente o en mayor proporción. La cromatografía, es las herramientas de caracterización, que consiste en la separación de componentes en dos fases. Esta técnica es una de las más utilizadas en la separación de enantiómeros. Existen varios tipos de cromatografías, las cuales se distinguen por la forma de separación, ya que cada tipo de cromatografía tiene su propio procedimiento, las condiciones de la muestra a separar serán las que determine qué tipo de cromatografía a emplear. Por ejemplo, Patrizia Rubiolo y colaboradores en su trabajo en la identificación de enantiómeros en el sabor y fragancias, utilizaron la cromatografía de gases enantioselectiva con el objetivo de identificar los compuestos activos [1]. Las fragancias que se estudiaron en este análisis fueron, la del bálsamo de limón, menta, lavanda, limón y romero, mientras que los saborizantes fueron manzana,

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chabacano, durazno y coco, con el propósito de obtenerlos sintéticamente, ya que son de los saborizantes más comunes en la industria alimenticia. El análisis se llevó a cabo en 134 racematos estándares y enantiómeros puros, los cuales se solubilizaron en ciclohexano a una concentración de 100 ppm, con los cuales se construyeron cuatro columnas de 25 m x 0.25 mm recubiertas con cuatro derivados de la ciclodextrina diluidos al 30% como selectores quirales. La cromatografía de gas se basa en una interacción anfitrión–huésped de cada enantiómero de un racemato con la ciclodextrina. La ciclodextrina es sólido cristalino que produce una mezcla de glucosa y oligosacáridos lineales en su interior. Una de sus propiedades más importantes, es la solubilidad, ya que son insolubles en agua y disolventes polares y prácticamente insolubles en la mayoría de los solventes orgánicos comunes, por esta razón es tan buen selector quiral en este análisis, ya que la ciclodextrina atrapa uno de los enantiómeros permitiendo así una separación efectiva. Para poder separar los saborizantes y fragancias, es necesario montar por lo menos dos columnas recubiertas con diferentes derivados de la ciclodextrina. Con este análisis se logró separar el 80% de la mayoría de los racematos comunes en el campo de los alimentos. Esta técnica no solo es aplicada en el campo de los alimentos, sino también en otros sectores importantes para el ser humano, por ejemplo, en la separación de enantiómeros de aminoácidos. Annie Chabin y André Brack, quienes ocuparon la cromatografía de gas enantioselectiva con 20 aminoácidos proteinógenos, los cuales son generalmente conocidos por sus nombres comunes, la valina, prolina, asparagina, ácido aspártico, entre otras. De los veinte aminoácidos proteinogénicos, diez son considerados esenciales [2]. En muchas ocasiones los humanos no podemos producir de forma natural la cantidad necesaria de aminoácidos proteinógenos para nuestro organismo, por lo que es necesario obtenerlos a partir de dietas o medicamentos, por esa razón este estudio tiene como objetivo obtener dichos enantiómeros, para la elaboración de fármacos. Cada enantiómero aminoácido que se consiguió, se disolvió en agua a una concentración de 0.1 M para la lisina, arginina, alanina, treonina, glicina, prolina y cisteína, al 0.05 M para la serina y valina, 0.02 M para la isoleucina, metionina y asparagina, 0.01 M para la fenilalanina, leucina y glutamina, 5x10-3 M para el ácido aspártico y ácido glutámico y 5x10-4 M para la tirosina. Cabe resaltar que la

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solución madre se preparó con soluciones de aminoácidos D y L, los cuales tenían una concentración de 3.12x10-4M. Las preparaciones pasan por un proceso, donde se obtiene una capa orgánica fina, la cual se inyecta en el gas de cromatografía, las cuales se montan en columnas capilares de sílice fundido no quiral de 30 m x 0.25 mm, donde se ocupa al helio como gas portador, el cual tiene una entrada de presión de 170 kPa. Para poder conseguir la separación de dichos enantiómeros, es necesario montar diferentes columnas, donde se emplearan tres tipos de análisis. El primero consiste en el uso de un alcohol quiral o (S)–(+)–2-cloro-1-propanol, el cual nos permite la formación de diasterómeros. El segundo, es el mismo análisis que en el primero, sólo que en este caso, se emplearán la separación de ácidos L, con la finalidad de comprobar que no se obtendrán como resultado alguna racemización. Y el tercero, es realizar el mismo análisis pero en esta ocasión, con una columna quiral. No es necesario cambiar la columna para realizar los tres análisis, por esta razón es muy práctico y rápido dicho análisis en comparación de otros. Con este estudio se lograron la separación de 19 de los 20 aminoácidos. Así mismo, obtuvieron resoluciones enantioméricas para 10 de los 19 pares de enantiómeros. Así como en estos ejemplos, es sencillo imaginar que la cromatografía de gas enantioselectiva, se ocupa para la separación de enantiómeros a partir de una mezcla racémica, obteniendo un resultado satisfactorio y confiable. Referencias: [1] Bertrand M., Chabin A., Brack A, ―Separation of amino acid enantiomers VIA chiral derivatization and non-chiral gas chromatography‖, Journal of chromatography. 1180,131 – 137 (2008) DOI:10.1016/j.chroma.2007.12.004

[2] Liberto E., Cagliero C., Sgorbini B., Bicchi C., Sciarrone D., Zellner B., Mondello L., Rubiolo P, ―Enantiomer identification in the flavour and fragrance fields by "interactive" combination of linear retention indices from enantioselective gas chromatography and mass spectrometry‖, Journal of chromatography. 1195 117-126 (2008) DOI: 10.1016/j.chroma.2008.04.045.

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aplicación del principio de intercambio de ligando quiral en HPLC (cromatografí

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Síntesis asimétrica catalítica

Adrian A. Ortega. Erika Cano Tapía. Jorge C. Alcopar.

Mariant Bryceidi Fomperosa Osvaldo Hernández Cuellar.

Saúl Puebla Román.

Síntesis asimétrica.

La síntesis asimétrica produce moléculas quirales. La quiralidad es una propiedad simétrica que presentan algunas moléculas tridimensionales, las cuales existen en dos formas llamadas enantiómeros con estructuras cuyas constituciones son idénticas, siendo que la distribución espacial de sus átomos de una, forma la imagen especular de la otra, pero no son superponibles. Muchas de las moléculas que constituyen a los seres vivos son de naturaleza quiral por lo que la estereoselectividad juega un papel fundamental en su actividad y metabolismo. Las propiedades terapéuticas de muchos fármacos, propias de cada enantiómero, pueden derivarse de la administración de un compuesto en forma ópticamente pura.

La síntesis asimétrica se define como una transformación de la cual una unidad aquiral, en un conjunto de moléculas de sustrato, se convierte en una unidad quiral, de forma que los posibles enantiómeros se obtienen en cantidades iguales.

Es bien sabido que Louis Pasteur fue el primero en obtener una mezcla racémica, una mezcla con un número igual de enantiómeros, del tartrato de sodio y amonio en la cual observo dos tipos de cristales, una imagen especular de la otra. La separación de estas demostró que, una representaba al tartrato girando hacia el lado de las manecillas del reloj y la otra de manera contraria. A este tipo de rotación, se le llama dextro y levo, respetivamente, las cuales fueron explicadas 30 años después aproximadamente, por Van’t Hoff y Le Bel quienes, explicaron de manera independiente la naturaleza de estos cristales en sentido a la geometría tetraédrica de los átomos de carbono saturados.

Esto quiere decir, que, la síntesis asimétrica, influye directamente favoreciendo la quiralidad en los compuestos ya que los diferentes enantiómeros suelen tener actividad biológica distinta, esto es un resultado de las relaciones diastereoisoméricas. Los diastereoisómeros o diasterómeros son una clase de estereoisómeros tales que no son superponibles pero tampoco son imagen especular uno del otro, es decir, no son enantiómeros. Los diastereoisómeros se diferencian de los enantiómeros ya que estos últimos son los pares de

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estereoisómeros que difieren de todos los estereocentros y por lo tanto son reflejos uno del otro

Muchas de las moléculas o macromoléculas relacionadas con la vida cómo son: las proteínas, los hidratos de carbono, entre otros, son quirales. De esta manera se comprende casi de inmediato la extraordinaria importancia de la síntesis asimétrica ya que los dos enantiómeros reaccionan de manera diferente con el receptor quiral produciendo efectos realmente diferentes. La mayoría de fármacos procedentes de fuentes naturales son quirales y casi siempre se obtienen como un enantiómero y no como una mezcla racémica. Estimulado por numerosos factores que van desde la seguridad y la eficacia hasta la metodología y la economía, dicha práctica está sufriendo un rápido cambio y son más y más los medicamentos sintéticos quirales disponibles en forma enantiomérica pura.

Estereoquímica.

Por una parte la estereoquímica de la reacción esta intramolecularmente controlada por la unidad estereogénica. Un ejemplo específico de este primer grupo de reacciones estereoquímicamente controladas por el sustrato es la adición de yoduro de metilmagnesio a la (S)-2 metilciclohexanona

Figura 1.Método de segunda generación <-> controlado por un auxiliar quiral

Figura 2. Reacciones estereoquímicamente controladas por el sustrato

El resultado global de este proceso supone la conversión aquiral en un producto enantioméricamente puro, como en el siguiente ejemplo (Fig. 3) en el cual el éter metílico del (S)-fenilalaninol actúa de inductor quiral integrándose al sustrato mediante una reacción de condensación para dar una imina que se metila de forma diastereoselectiva.

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Figura 3. Conversión aquiral en un producto enantioméricamente puro

Los métodos de tercera generación son aquellos que a diferencia de los dos anteriores, están controlados de forma intermolecular por la estereoquímica del reactivo.

Por último, esta clasificación engloba bajo el nombre de métodos de cuarta generación a aquellos procedimientos donde la asimetría es controlada por un catalizador, permitiendo la obtención de productos enantioméricamente puros a partir de un sustrato y un reactivo aquirales.

Cada método desarrolla una acción clave en la síntesis asimétrica, tienen ventajas y desventajas, las cuales se generalizan en los siguientes puntos:

VENTAJAS

Menor cantidad de reactivo quiral (normalmente caro).

No hay necesidad de llevar a cabo reacciones para unir/desligar la fuente de información quiral al sustrato.

Mayores posibilidades (y más sencillo experimentalmente) para la variación en la estructura del inductor de quiralidad (ligando y metal).

.DESVENTAJAS

Dificultad para incrementar la pureza óptica del producto final en caso de que la reacción no sea totalmente enantioselectiva.

Los metales normalmente empleados son tóxicos y caros y es difícil su reciclaje.

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Los ligandos empleados son muy complejos y caros. A veces no están disponibles en ambas formas enantioméricas.

Dado el alto grado de reconocimiento quiral inherente la mayoría de procesos biológicos es muy improbable que ambos enantiómeros de un medicamento quiral exhiban el mismo nivel, o incluso el mismo tipo de efecto. En caso extremo, un enantiómero tiene el efecto deseado, mientras que el otro no muestra ninguna actividad biológica. Sintetizar y administrar un enantiómero que no sirve para determinada función no sólo es un desperdicio desde el punto de vista químico, sino que se conocen muchos ejemplos de que la presencia del enantiómero "malo" es una mezcla racémica que puede afectar la capacidad del organismo para utilizar al enantiómero "correcto", o bien tiene efectos farmacológicos no deseados. Para evitar este problema, las empresas farmacéuticas están inventando métodos para la llamada síntesis enantioselectiva, que les permita preparar un enantiómero y no una mezcla racémica.

El 10 de octubre del 2001 se anunciaron los premiados con el Nobel en Química. Los ganadores de la mitad de este serían el estadounidense William S. Knowles, investigador veterano de la empresa Monsanto, y el profesor Ryoji Noyori, de la universidad japonesa de Nagoya, por sus descubrimientos en las reacciones de hidrogenación asimétrica catalítica. La otra mitad del premio le fue otorgada al norteamericano K. Barry Sharpless, profesor del Instituto de Investigación Scripps, por su investigación en las reacciones catalíticas de oxidación asimétrica. Estos descubrimientos han tenido un gran impacto en la obtención industrial de medicamentos que ahora pueden ser producidos en enormes cantidades de una de sus dos formas posibles. La ventaja al producir medicamentos puros es que disminuye al 50% la cantidad de principio activo que se administra y con ello también disminuyen los posibles efectos secundarios, pues la segunda forma puede ser inactiva y en algunos otros casos altamente tóxica.

De tal forma que al producir unas sustancias se obtengan directamente en una sola forma quiral. En muchos casos, para que las reacciones químicas ocurran hay que suministrar energía, por lo que los investigadores han buscado la utilización de agentes químicos que faciliten las reacciones disminuyendo la energía que necesitan y haciendo que los procesos sean lo más completos posibles. Esto es lo que se conoce como catálisis.

Para que los catalizadores sean realmente útiles necesitan actuar en concentraciones pequeñas y no deben ser consumidos en la reacción. Los catalizadores tienen la virtud de hacer los procesos químicos más eficientes,

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selectivos y baratos. Los catalizadores para transformaciones asimétricas no solamente hacen las reacciones más eficientes sino que conducen únicamente a una de las dos formas enantioméricas de las substancias.

Hidrogenación catalítica quiral.

La hidrogenación es una reacción química que consiste en la adición de hidrógeno a otro compuesto. Esta reacción es llevada a cabo en compuestos orgánicos insaturados, tales como alquenos, alquinos, cetonas, nitrilos, por citar algunos. La mayoría de las hidrogenaciones ocurren en presencia de un catalizador que interactúa con el hidrógeno molecular (H2). En esta reacción se puede utilizar la catálisis heterogénea o la catálisis homogénea, dependiendo del catalizador utilizado.

Un ejemplo de catálisis heterogénea es la hidrogenación utilizando un catalizador metálico sólido, ésta reacción se puede explicar por el mecanismo Chatt-Dewar-Duncanson (Fig. 5), el cual explica cómo es que se debilitan los enlaces del compuesto orgánico. Según este modelo, los electrones que se localizan en el enlace de una instauración son donados a un orbital d vacío del catalizador. Inmediatamente ocurre una retrodonación del enlace de otro átomo desde el orbital d lleno del catalizador hacia los orbitales anti-enlazantes de la insaturación, de esta manera, la donación de los electrones del enlace y el aumento de la densidad electrónica en los orbitales moleculares de anti-enlace debilitan el enlace π.

Figura 5. Mecanismo Chatt-Dewar-Ducanson de ruptura C=C y H-H

Por otro lado, un ejemplo de hidrogenación catalítica homogénea es la reacción por 2,2-bis (difenilfosfina)-1,1-bi naftaleno-rutenio (BINAP-Ru) cuyo mecanismo se explica a continuación (Véase fig. 6).

A. El catalizador (BINAP-Ru) sustituye un cloro por un átomo de hidrógeno y el cloro sustituido se enlaza con un átomo de Hidrógeno para formar ácido clorhídrico.

B. Debido a la quiralidad y el efecto estérico del catalizador el éster se acomoda de tal manera que la formación de un sólo isómero es favorecida.

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C. El éster obtiene átomos de hidrógeno en algunas insaturaciones y el hidrógeno que se unió al catalizador en el paso A se une con el oxígeno más próximo.

D. El compuesto formado en el paso anterior se libera del catalizador

E. Después de perder el hidrógeno el catalizador se vuelve a utilizar. El catalizador adquiere un átomo de hidrógeno del medio y regresa a la forma adquirida al final del paso A.

Figura 6. Hidrogenación catalítica homogénea

La hidrogenación tiene importantes aplicaciones en la industria farmacéutica, petroquímica y alimenticia. Un ejemplo son los compuestos de ácidos sulfónicos β-Hidroxi que son sustancias muy utilizadas dentro de la industria química, se utilizan como lubricantes en galvanoplastia de Cobre y aleaciones de Sn-Zn, revestimientos de pigmentación electrolítica de aluminio, como estabilizadores de colorantes dispersos y como ingredientes tensioactivos de productos de limpieza para el hogar [1].

Epoxidación.

Una reacción particular dentro de las reacciones de oxidación es la epoxidación de alquenos (véase fig. 7), en la que el alqueno reacciona con un peróxido para obtener como producto de reacción un epóxido (ciclo de tres miembros que contiene oxígeno) y un ácido carboxílico. El peróxido más habitual en esta reacción es el ácido peroxiacético, aunque también puede utilizarse el ácido meta-cloroperbenzoico con siglas MCPBA.

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Figura 7. Epoxidación de alquenos

La epoxidación de alquenos es quimioselectiva, reaccionando mejor con los alquenos más sustituidos (el alqueno más sustituido es el alqueno más estable). También presenta una elevada diastereoselectividad epoxidando mejor la cara menos impedida del alqueno[2]. Se muestra como el epóxido tienen una orientación preferente hacia el lado opuesto de donde se encuentra el radical metilo (Fig. 8), debido a que en esa orientación es donde se encuentra la cara menos impedida del alqueno.

Figura 8. Preferencia de la orientación del epóxido

El mecanismo de la epoxidación de alquenos es concentrado, transcurriendo en una única etapa como se observa en la fig. 9

Figura 9. Mecanismo de epoxidación de alquenos.

La forma en que los catalizadores ayudan a mejorar la estereoselectividad en la epoxidación es desconocida, pero se piensa que los catalizadores interaccionan de tal manera que forman un compuesto, se cree que es el complejo isopropóxido de titanio-tartrato de dietilo (fig. 10) que de alguna manera ayuda a mejorar la estereoselectividad de la reacción favoreciendo un isómero sobre de otro. Obteniendo un exceso enantiomérico de aproximadamente 95%.

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Figura 10. Complejo isopropóxido de titanio-tartrato de dietilo.

Desde finales del siglo XIX la síntesis de moléculas quirales y los procesos enantioméricos ha constituido un reto prioritario,para los químicos orgánicos, quienes estos, a su vez los han sabido manejar de una extraordinaria manera, que permitió convertir la síntesis orgánica en una verdadera obra de arte.

Referencias:

[1] Method of producing an optically active B-hidroxy sulfonic acid compound by catalytic asymmetric hidrogenation. http://www.google.com.na/patents/US6326512 (consultado Marzo 30, 2015).

[2] Fernández, G. Epoxidación de alquenos. http: //www.quimicaorganica.org/reacciones-alquenos/353-epoxidación-de-alquenos.html (consultado Abril 2, 2015).

Pizzano A., Carmona E, ―Premio Nobel de Química 2001: Síntesis Asimétrica Catalítica‖. Anuales de la Real Sociedad Española de Química. 97 (04) 50-55 (2001).

Gallego, Q.; Jairo, A. Estudio de la hidrogenación de la Oleína del aceite de Palma Africana para obtención de grasas modificadas. Tesis (Licenciatura Química). Bucaramanga, Colombia, Universidad Industrial de Santander, Facultad de Ingenierías Fisicoquímicas.10-12 (2005).

Kitamura, M.; Yoshimura, M.; Kanda. N.; Noyori. R. Hydrogenation a b-ketosulfonic acid compound. US 6,326,512 B1 (Cl. C07C 309/00; C07C 29/14). Jun. 1, 2000, Appl. No.: 09/584,747, Dec. 4 (2001).

Liu Y., Zhou J, ―Catalytic Asymmetric Strecker Reaction: Bifunctional Chiral Tertiary Amine/Hydrogen-Bond Donor Catalysis Joins the Field Synthesis‖ 47 1210-1226 (2015). DOI: 10.1055/s-0034-1380117

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Kitagaki S., Sugisaka K., Mukai C, ―Synthesis of planar chiral paracyclophane-based bisoxazoline ligands bearing no central chirality and application to Cu-catalyzed asymmetric O-H insertion reaction. Organic & biomolecular chemistry‖ 13 4833-6 (2015) DOI: 10.1039/c5ob00452

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Nuevos métodos de resolución

Adrian A. Ortega.

En la hidrogenación catalítica quiral se produce una cantidad mayor de un enantiómero en específico. Son pocos los casos en los que se produce un solo enantiómero. En la síntesis de compuestos, una vez que ha terminado el proceso, es importante separar los isómeros. La hidrogenación es una reacción química que consiste en la adición de hidrógeno a otro compuesto. Esta reacción es llevada a cabo en compuestos orgánicos insaturados, tales como alquenos, alquinos, cetonas, nitrilos, por citar algunos. La mayoría de las hidrogenaciones ocurren en presencia de un catalizador que interactúa con el hidrógeno molecular (H2). En la hidrogenación se utiliza la catálisis heterogénea. La separación de enantiómeros presentes en una mezcla racémica es llamada resolución. La resolución es un proceso difícil de conseguir ya que no se puede realizar por métodos físicos convencionales. Además, la única diferencia entre los enantiómeros es el sentido de la rotación de la luz polarizada. En la actualidad, la investigación científica se encuentra en la búsqueda de nuevos métodos de resolución.

Por ejemplo, K. Liu y L. Wang realizaron la separación de aminoácidos enantioméricos con un arreglo de electroforesis [1]. Desarrollando un método simple y eficaz en enantioresoluciones. Ellos separan los 12 enantiómeros del Succinimidil éster carboxitetrametilrodamina (TAMRA SE)-AA, empleando un escáner de Electroforesis Capilar (CAE-LIF) casero que opera a 532 nm.

Se usaron diferentes tipos de ciclodextrinas (CDs) en diferentes concentraciones y diferentes aditivos orgánicos. En el uso de la electroforesis se mantuvo constante la intensidad del campo a 400 V y la corriente de 25 A (AC). Todas las enantioseparaciones se realizaron en el mismo escáner CAE-LIF a 532 nm. La luz usada es de un láser sólido comercial de 532 nm. El procedimiento usado se describe a continuación.

El láser pasa por un divisor de haz dicroico, el rayo se enfoca sobre las ventanas de detección capilar y un espejo rotatorio dirige el láser a la matriz del capilar. La fluorescencia de los analitos se refleja por el espejo giratorio y el divisor de haz dicroico a un tubo fotomultiplicador (PMT). Un codificador rotatorio se combina con el motor, lee la posición de cada capilar y registra los datos en el sistema.

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La mezcla racémica fue separada durante la electroforesis. La determinación del exceso enantiomérico (ee) se hizo de dos maneras. Calculando el valor real del ee con el mol de cada enantiómero y el valor experimental por medio del área de pico integrado en el electroferograma, el cual indica que tan puro es el enantiómero de acuerdo a los picos y la distancia entre crestas. El ee fue diferente para cada mezcla dependiendo del aditivo orgánico utilizado.

El método utilizado para el conteo del ee resultó ser lo suficiente preciso. Utilizando electroforegramas de TAMRA SE-AA en óptimas condiciones 100 mM Triborato buffer (pH=10) conteniendo 2 mM β-CD y 10 mM HDA. El exceso enantiomérico obtenido es muy cercano al valor verdadero con un error máximo de ±3.5 %. Por lo anterior, la separación de amino ácidos enantioméricos con un arreglo de electroforesis se cataloga como un método eficaz y simple en enantiorresoluciones.

Otro método de separación de enantiómeros fue propuesto por S. Tong, Guan, J. Yan, et. al. acerca de la separación enantiómerica de (R-S) naproxeno por cromatografía contracorriente de alta velocidad (HSCCC) de reciclaje con hidroxipropil-β-ciclodextrina (HP-CD) como selector quiral[2].

La resolución de (R-S)-naproxeno (NAP) se realizó por cromatografía de reciclaje y la cuantificación del enantiómero por cromatografía de líquidos de alta resolución (HPLC). Esta separación de enantiómeros es importante pues el enantiómero S presenta actividad terapéutica en el tratamiento de los síntomas de la artritis reumatoide.

La separación se llevó a cabo por HSCC reciclada la cual, inyecta iterativamente el efluente por medio de la salida del detector a la entrada de la bomba. El procedimiento se resume en tres pasos: paso 1: la columna de separación se llena completamente con la fase superior del sistema disolvente. Posteriormente, la columna de la bobina se gira a 850 rpm, mientras que la fase inferior se bombea en la columna a 2.0 mL cm-1. Después el equilibrio hidrodinámico se estableció en la columna, 20 ml de solución de muestra que contiene 29 mg de racemato se incorporó a través del inyector. Paso 2: Después de la inyección de la muestra e inmediatamente antes del ciclo de primera elución (tiempo de retención fue de 80-90 min), la válvula de conmutación volvió a formar un tubo de reciclaje. Paso 3: El racemato deseado es separado después de varias cromatografía contracorriente (CCC) recicla, el modo de elución de reciclaje se detuvo para liberar los enantiómeros. Cada fracción del pico se recogió manualmente de acuerdo con el cromatógrafo.

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Se determinó que en condiciones óptimas de temperatura a 5°C, el pH en 2,67 y la concentración del selector quiral en 0.1 mol la cuantificación de enantiómeros (S)-NAP y (R)-NAP realizada con HPLC con una pureza de 99,5%.

La separación por HSCCC no es muy eficaz, pues se deben cuidar numerosos aspectos y los resultados varían dependiendo de la concentración de HP-CD. Sin embargo, los resultados obtenidos con n-hexano tiene la suficiente pureza y un buen ee para la resolución del enantiómero –S-NAP con actividad terapéutica..

Referencias

[1] Liu K., Wang L, ―Enantioseparations of Amino Acids Capillary Array Electrophoresis with 532 nm Laser Induced Fluorescence Detection‖, Journal of chromatography. 1295 142-146 (2013) DOI: 10.1016/j.chroma.2013.04.058.

[2] Tong S., Guan Y., Yan J, ―Enantiomeric separation of (R,S)-naproxen by Recycling High Speed Counter-current Chromatography with Hydroxypropyl-β-Cyclodextrin as chiral selector‖, Journal of Chromatography. 1218 5445-5440 (2011) DOI: 10.1016/j.chroma.2011.06.015.

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Síntesis asimétrica de aminoácidos a partir de nuevos reactivos quirales

Erika Cano Tapia

Muchas de las moléculas que constituyen los organismos vivos son de naturaleza quiral y en la mayoría de éstas, la naturaleza ha seleccionado una única forma enantiomérica. Así, por ejemplo, las proteínas de todos los organismos vivos están exclusivamente constituidas por formas enantioméricas de sus aminoácidos, mientras que los hidratos de carbono están formados por unidades de azúcares exclusivamente de las formas enantioméricas D (dextrógiras). La necesidad de acceder a moléculas enantioméricamente puras nos ha llevado a prestar una especial atención a la estereoselectividad de estos procesos mediante el desarrollo de nuevas reacciones para la síntesis de productos naturales y moléculas enantioméricamente puras que resulten de utilidad en estudios biomédicos o farmacológicos, donde cada molécula del reactivo quiral genera una molécula de productos quirales, y la catálisis asimétrica alcanza una multiplicidad de quiralidad, ya que una molécula del catalizador quiral puede generar cientos o miles de moléculas quirales mediante los procesos enzimáticos puede ser reproducida por una pequeña molécula orgánica compuesta únicamente por aminoácidos. En el trabajo realizado por Gao, Weiwei [1] cuyo objetivo es mejorar los factores que afectan la actividad y la estabilidad de los aminoácidos y sus relaciones entre ellos y sus aplicaciones en la farmacéutica enfocadas en dos áreas las cuales son: 1. El diseño y la síntesis de derivados fosforilados de aminoácidos, para la

inhibición de proteínas fosfatasas o la activación/inactivación de los receptores del ácido glutámico (iGluR y mGluR), con potencial en el tratamiento de procesos neurodegenerativos, la ansiedad o el dolor crónico.

2. La síntesis de iminoazúcares de interés en la inhibición de glicosidasas y glicosiltransferasas, de utilidad en el tratamiento de la diabetes y otros desórdenes metabólicos. En el desarrollo de agentes antivirales o antitumorales.

Las enzimas y proteínas que catalizan las reacciones químicas en las que se basa la vida, están formados por componentes quirales. Cuando actúan sobre su sustrato, son capaces de distinguir entre las formas enantioméricas de éste, de manera que la enzima solamente puede transformar una de las formas del sustrato. Lo mismo puede ocurrir con las proteínas que actúan como receptores químicos. De tal forma los catalizadores desarrollados permiten efectuar

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reacciones de epoxidación y de dihidroxilación de olefinas con una alta selectividad enantiomérica. La epoxidación asimétrica fue trabajo realizado por Muñoz M, de Pedro Z, Casas J, Rodríguez J [2] se basa en un catalizador de óxido de titanio como elemento quiral, la dihidroxilación se efectúa con un catalizador de osmio coordinado con el ligando quiral NMO. Este tipo de reacciones, que permiten la introducción de funciones oxigenadas con excesos enantioméricos muy elevados, ha demostrado una gran versatilidad en sus aplicaciones en numerosos esquemas, para construir diversos bloques de síntesis quirales. Un ejemplo de ello es la síntesis asimétrica del glicidol, un intermediario importante en la síntesis de betabloqueantes, una familia de fármacos para el tratamiento de enfermedades cardíacas. Por otra parte, el uso de dihalogenuros ha permitido obtener tras hidrolisis de la correspondiente oxaxinonas bicíclicas, aminoácidos cíclicos enantiomericamente puros. Para la preparación de la oxazocina quiral derivada de glicina se ha utilizado la (S)-2 hidroxiisovalerofenona como auxiliar quiral. La correspondiente oxazinona se ha preparado por esterificación de este auxiliar. La reacción de condensación de esta oxazinona con aldehídos en condiciones de transferencia de fase ha dado lugar de forma altamente diastereoselectiva a derivados de alfa, beta-dideshidroaminoácidos. Que, a través de reacciones de ciclopropanación, Diels-Alder e hidrogenación, han permitido la síntesis de distintos tipos de aminoácidos con altos excesos enantioméricos. Un cierto grado de pureza quiral es requisito indispensable en nuestra vida diaria y, aún más importante, debió ser esencial para la aparición de la vida en la Tierra. La construcción eficiente de complejos biomoleculares, como ácidos nucleicos proteínas, y aminoácidos. De ser así, el origen del rompimiento de la simetría especular no es una consecuencia del mundo vivo sino que emergió hace cuatro mil millones de años, cuando nuestro planeta se encontraba sin vida; fue la llamada química prebiótica la que generó moléculas cada vez más complejas a partir de otras más simples, dando lugar a la evolución de los primeros procesos vivos. Es por ello que la ruptura de la simetría se ha convertido en uno de los problemas centrales para la comprensión del origen de la vida. Referencias:

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[1] Wei G, "Key factors affecting the activity and stability of enzymes in ionic liquids and novel applications in biocatalysis", Biochemical Engineering Journal. 99 67-84 (2015) DOI 10.1016/j.bej.2015.03.005 [2] Munoz M., de Pedro Z., Casas J., Rodriguez J, ―Preparation of magnetite-based catalysts and their application in heterogeneous Fenton oxidation – A review‖, Applied Catalysis B: Environmental. 176-177 249-265 (2015) DOI :10.1016/j.apcatb.2015.04.003

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Oxidación enantioselectiva de sulfuros pro-quirales y reducción enzimática

Mariant Bryceidi Fomperosa La dioxigenasa nitrobenceno (NBDO) es usada para la realización de la oxidación enantioselectiva de sulfuros aromáticos [1]. Janna Shainsky y colaboradores buscaban la capacidad de NBDO para oxidar selectivamente sulfuros de aquil arilo para mejorar la actividad y selectividad usando saturación mutagenética. Buscando así la oxidación enantioselectiva de sulfuros pro-quirales. Mientras que Liqun Wang y equipo [2] realizaron una reducción asimétrica de acetato de 2-oxo-4-fenil-butirato de metilo (OPBE) para sintetizar y mejorar el rendimiento ópticamente activo y como catalizador, se investigó en un sistema acuso, esto para obtener una estereoselectividad estable. En ambos casos se busca de manera sintética mejorar el rendimiento y el tiempo de acción en ambas sustancias expuestas y estudiadas en diferentes campos, siendo estos destacados por su estereoselectividad y enantioselectividad. De manera que su acción sea notablemente mejorable y el costo de estos sea relativamente barato. Los sulfóxidos quirales son auxiliares quirales eficaces que facilitan transformaciones asimétricas. Una de las aplicaciones más importantes de sulfóxidos quirales es en la industria farmacéutica. Estos auxiliares se pueden sintetizar a través de medios químicos o biológicos, sin embargo, la oxidación enantioselectiva se considera el proceso más eficiente ya que se usan enzimas cómo biocatalizadores para la producción de compuestos enantiopuros. La reducción enzimática del OPBE es considerado un bloque muy importante en la construcción quiral para la síntesis de conversión de la angiotensina, con inhibidores tales como benazepril, enalapril, lisinopri. En general, los inhibidores de la ECA, previenen la conversión del precursor decapéptido de angiotensina I en el potente vasoconstrictor de angiotensina II. Esta sustancia ha demostrado ser un poderoso fármaco antihipertensivo. En los últimos años, se han reportado varios enfoques químicos y biológicos para la (R)-HPBE, principalmente en dos formas: la resolución cinética y la síntesis. Sin embargo, la síntesis química por lo general implica varios pasos y condiciones de reacción severas. Por lo que, los métodos de resolución están limitados por el rendimiento máximo teórico de sólo el 50%. El enfoque de la investigación por parte de J. Shainsky y equipo, fue el estudio de correlaciones estructura-función entre NBDO y sulfuros pro-quirales. La mutagénesis de saturación se aplicó para mejorar la tasa de enantioselectividad y

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la oxidación de cuatro sustratos modelo: tioanisol, ptolyl, Cl-tioanisol y Br-tioanisol. Por otra parte se usó también in-silico de acoplamiento para analizar los resultados experimentales posteriores. Nos queda claro que la actividad de la enzima depende directamente del tamaño del sustrato. Sin embargo, el NBDO investigado mediante mutagénesis dirigida en la posición 258 de α-hidróxilasa del NBDO mejoró significativamente tanto la actividad como la enantioselectividad. Mientras que la sustitución en la posición 293 mejoró la actividad en todos los sustratos e influyó de manera diversa en la enantioselectividad. La combinación de dos mutaciones favorables presentó una variante mejorada y por lo tanto una actividad elevada. El acoplamiento molecular y los cálculos de volumen del sitio activo fueron usados para correlacionar la estructura de los sustratos y la función de las enzimas. Los resultados generales de este trabajo sugirieron que la ubicación de los sulfuros pro-quirales en el sitio activo está coordinado directamente por interrelaciones hidrofóbicas y estas a su vez influyen en la enantioselectividad del NBDO. La reducción asimétrica del OPBE para sintetizar el (R)-HPBE ópticamente activo con un aislado de R. mucilaginosa CCZU-G5 como catalizador se realizó en un sistema acuoso con disolvente orgánico bifásico. Cómo resultado observamos que la R. mucilaginosa CCZU-G5 mostró una buena tolerancia, lo que significa la retención de la actividad metabólica >80%, en el sistema bifásico compuesto. En el sistema bifásico, la relación volumétrica de fase, la concentración OPBE, concentración celular, temperatura de reacción, y tampón de pH se optimizaron. Bajo las condiciones óptimas se obtuvo que, la relación volumétrica de fase: 1/1, el OPBE concentración: 100 mM, la concentración de células: 0,075 g/ml, y el pH=7,5, a una temperatura de 35 °C, el rendimiento final y la pureza óptica del (R)-HPBE alcanzó 98,3% y >99,0% de exceso enantiomérico (ee) después de las 12 horas de reacción. De manera general, podemos decir que, la reducción asimétrica así como la oxidación mediante mutagénesis dirigida, nos lleva a resultados óptimos de síntesis, a pesar de que en el caso oxidativo, es un proceso más lento mientras que en el reductivo se limita por el rendimiento teórico prácticamente a la mitad, tenemos resultados favorables, y en ambas investigaciones el producto final es altamente enantioselectivo y mayormente activo. Referencias: [1] Shainsky J., Bernath-Levin K., Isaschar-Ovdat S., Glaser F., Fishman A, ―Protein engineering of nirobenzene dioxygenase for enantioselective synthesis of chiral sulfoxides‖, Oxford Journals. 6 24 (2013) DOI: 10.1093/protein/gzt005

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[2] Wang L., Miao J., Wang Z., Qing Q., Yang S, ―Biocatalytic synthesis of ethyl (R)-2-hydroxy-4-phenylbutyrate with a newly isolated Rhodotorula mucilaginosa CCZU-G5 in an aqueous/organic biphasic system‖, SpringerOpen Journal. 6 26 (2015) DOI: 10.1186/s40643-015-0037-9

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Predicción de enantioselectividad con métodos quimioinformáticos

Osvaldo Hernández Cuellar

La determinación de la enantioselectividad (preferencia de formación de un enantiómero sobre otro) en una reacción de síntesis catalítica asimétrica es un aspecto muy importante dentro del estudio de este tipo de reacciones, por tal razón algunos científicos intentan desarrollar métodos para poder predecir la enantioselectividad de las mismas.

En 2013 Qing-You Zhang y colaboradores lograron crear dos modelos quimioinformáticos para la predicción de enantioselectividad de alcoholes primarios en resoluciones racémicas [1]. Estos modelos superan la capacidad de predicción de un método empírico establecido anteriormente. Los modelos fueron creados a partir de un código que contiene las variables más relevantes de los sustituyentes quirales, seleccionadas por medio de la aplicación de algoritmos genéticos al código que contiene todas las variables posibles. Éstos modelos pueden predecir la quiralidad (con un porcentaje de error menor al 10%) de alcoholes primarios que contengan los sustituyentes –CH2OH y –H enlazados al centro quiral y que sean producto de resoluciones racémicas por transesterificaciones o por hidrólisis catalizada por la lipasa P. cepacia.

Un año más tarde éste mismo equipo logró crear dos conjuntos de reglas empíricas basadas en modelos matemáticos para la predicción de la configuración absoluta del producto principal en la reducción de cetonas por DIP-Cloruro [2]. Dichas reglas fueron deducidas a partir de ecuaciones matemáticas que relacionan los códigos de sustituyentes quirales con la enantioselectividad del producto que fueron obtenidas por medio del análisis linear discriminante de Fisher.

El conjunto de reglas correspondientes a la formación de alcoholes secundarios es aplicable para todos los compuestos estudiados, sin embargo el conjunto para los alcoholes primarios sólo es aplicable para el 81.4% de los compuestos a pesar de que el modelo matemático es aplicable para todos los compuestos.

Una de las aplicaciones más importantes de los modelos y las reglas desarrolladas por Qing-You Zhang y colaboradores es que pueden ayudar en el diseño o mejora de sistemas catalíticos, optimizando así costos y tiempos de procesos dentro de industrias farmacéuticas y agroquímicas principalmente.

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Referencias:

[1] Suo, J.-J.; Zhang, Q.-Y.; Zhao, T.-F.; Zheng, F.-F.; Li, J.-Y.; Zhang, D.-D.; Feng, X.-L.; Long, H.-L.; Xu, L. "Prediction of Enantioselectivity of Primary Alcohols Involved in Racemic Resolutions Using Chiral Substituent Code". Chemom. Intell. Lab. Syst.,128 118–123 (2013).

[2] Zheng, F.; Zhang, Q.; Li, J.; Suo, J.; Wu, C.; Zhou, Y.; Liu, X.; Xu, L. "Machine Learning Induction of Chemically Intuitive Rules for the Prediction of Enantioselectivity in the Asymmetric Syntheses of Alcohols". Chemom. Intell. Lab. Syst., 145 39–47 (2015).

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Hidrogenación asimétrica con catalizadores a base de hierro

Saúl Puebla Román

Una hidrogenación que se realiza sin la presencia de un catalizador, se puede nombrar hidrogenación no catalizada. Este tipo de hidrogenación resulta ser muy lenta, sin embargo, la velocidad de la hidrogenación aumenta drásticamente con la presencia de ciertos catalizadores. El platino ha sido hasta hace algunos años, el catalizador más usado en la hidrogenación catalítica; debido a que posee una propiedad de adsorción respecto a los gases, lo que le proporciona una alta actividad catalítica.

La hidrogenación es una reacción química que consiste en la adición de hidrógeno a otro compuesto. Esta reacción es llevada a cabo en compuestos orgánicos insaturados, tales como alquenos, alquinos, cetonas, nitrilos, por citar algunos. La mayoría de las hidrogenaciones ocurren en presencia de un catalizador que interactúa con el hidrógeno molecular (H2). En esta reacción se utiliza la catálisis heterogénea [3].

Los metales del grupo del platino (Ir, Rh, Ru, Pd, Os y Pt) han sido utilizados con más frecuencias, comparándolos con otros metales, en las hidrogenaciones catalíticas. En los artículos aquí presentados se presenta una investigación que lleva a la hidrogenación catalítica a la utilización de complejos catalíticos que no empleen metales del grupo del platino. Los metales como el platino son muy caros debido a la escasa abundancia que presentan y algunos de ellos son tóxicos. Por tal motivo, se ha llevado al desarrollo de una hidrogenación catalítica a base de catalizadores de hierro; el hierro es un metal más abundante, barato de adquirir y no es tóxico.

En el primer trabajo, el Dr. Paraskevi [1] del Departamento de Química de la Universidad de Toronto y colaboradores, tenían como principal objetivo obtener catalizadores a partir de complejos de hierro con asimetría que contengan ligandos tipo pinza (ligandos capaces de establecer dos o más uniones simultáneas con el núcleo de coordinación) sintetizaron mer-trans-[Fe(Br)(CO)2(PCHNP′)][BF4] donde: PCHNP′ = R2PCH2CHNCH2CH2PPh2 y R = Cy o iPr o PCHNP′ = (S,S)-Cy2PCH2CHNCH(Me)CH(Ph)PPh2) que son catalizadores para la hidrogenación de cetonas e imidas. Los catalizadores fueron sintetizados a partir de complejos de hierro con ligandos tipo pinza en reacción con LiAlH4 y después con un alcohol.

El resultado principal en este trabajo fue que presencia de THF como disolvente, 1.5 mol% de KOtBu, 5 atm de H2, 50 °C y 0.1 mol% del catalizador a partir de

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complejos de hierro, se producen alcoholes de hasta 85% ee (S) y aminas hasta en 90% ee.

En el segundo trabajo, la Dra. Jessica F. Sonnenberg y colaboradores [2] del Departamento de Química de la Universidad de Toronto, probaron 3 tipos de catalizadores de la forma [Fe(PCy2CH2CHNCH(R)CH2PPh2)(CO)2Br]BF4 donde (R) son sustituyentes bencilo, fenilo o isopropilo. Para estos 3 tipos de catalizadores se basaron en los catalizadores de mer-trans-[Fe(P-NP′)(CO)2Br]BF4 que se utilizan en la hidrogenación de cetonas e imidas. Esta serie de catalizadores se utilizaron en la reducción de acetofenona de (S)-1-feniletanol. Haciendo variaciones de temperatura y presión, se encontró que a 50° C de temperatura y a una presión de 5-25 atm de H2, se logró un exceso enantiomérico de hasta el 74%.

Referencias:

[1] Lagaditis P., Sues P., Sonnenberg J., Wan K., Lough A., Morris R, ―Iron(II) Complexes Containing Unsymmetrical P−N−P′ Pincer Ligands for the Catalytic Asymmetric Hydrogenation of Ketones and Imines‖, Journal of the American Chemical Society. 136 1367-1380 (2014) DOI: 10.1021/ja4082233.

[2] Sonnenberg J., Lough A., Morris R, ―Synthesis of Iron P-N-P ' and P-NH-P ' Asymmetric Hydrogenation Catalysts‖, Journal of the American Chemical Society. 33 6452–6465 (2014) DOI: 10.1021/om5008083

[3] Arellano A., Hernández O., Puebla S., Hidrogenación y oxidación en síntesis asimétrica. https://adrianarellanoort.wordpress.com/2015/05/08/sintesis -organica/. (consultado Mayo 8, 2015)

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Enantiómeros de la justicia

Fernando Galindo Mendoza

Violeta Gómez Ramírez Regina Izquierdo R.

Enrique Bezaleel Linares E. Michelle D. Olvera.

Gres E. Pérez Gutiérrez. Abner Sandoval Cortés.

D. Iván Villalva M.

“Es más fácil no producir desechos que limpiarlos” -Dr. Parick Moyna.

Hasta hace algunas décadas la química industrial no conocía todos los efectos del daño que se ocasionaba al medio ambiente.

A raíz de procesos químicos con carácter tóxico se vio afectado el promedio de vida en ciertas regiones. El crecimiento poblacional y la falta de cuidado al trabajar con sustancias tóxicas, son algunas de las razones por las cuales la calidad del aire y del agua ha empeorado notablemente. Buscando una solución a esto, redes de investigadores y diversos organismos diseñaron

procesos químicos que redujeran daños, innovaran y desarrollaran tecnologías para disminuir en gran medida el impacto de la química sobre el medio ambiente.

Origen de la química verde.

Química verde, también conocida como química sostenible o química medioambiental, nace en la década de los 90 en el siglo XX. Los 12 principios de la química verde reúnen la preocupación de los investigadores químicos por diseñar metodologías con el fin de mejorar los procesos industriales, y minimizar el impacto ambiental.

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Química verde en la síntesis catalítica asimétrica quiral.

Al involucrar la química verde en la síntesis catalítica quiral, se reconoce que coincide con algunos de estos 12 principios:

La economía atómica cuyo objetivo es incorporar la totalidad de la estructura de los reactivos en las síntesis de un producto y disminuir así la cantidad de residuos.

La reducción de derivados que pretende minimizar o si es posible, evitar la formación de residuos, porque esto requiere reactivos y disolventes adicionales.

La catálisis hace énfasis en la preferencia de potenciar el uso de catalizadores lo más selectivos posibles, frente al implemento de reactivos en cantidades estequiométricas.

Se diseñarán productos químicos capaces de degradarse al final de su vida útil y así no dañar al medio ambiente.

El diseño de nuevas tecnologías para la separación y purificación de compuestos, da como resultado mayor eficiencia energética y evita la formación de subproductos y residuos.

Para minimizar la diversificación de las materias primas debe reducirse la diversidad de los materiales utilizados para facilitar el reciclado y mantener el valor de estos.

Como sociedad, es necesario interesarnos en ésta temática y pensar en posibles soluciones o formas de evitar que la problemática ambiental continúe. Por fortuna, la conciencia de las personas ha aumentado y un gran número de empresas e instituciones gubernamentales han empezado a apoyar ésta rama de la química.

Referencias:

Sanghi, R.; Srivastava. M. M. Green Chemistry. Environment Friendly Alternatives. Ed. Narosa Publishing House. (2008). Código bibliotecario: 92632

Anastas, P.T.; Warner, J.C. Green Chemistry.Theory and practice. Ed. Oxford University Press. (2000). Código bibliotecario: 114531

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Catálisis asimétrica con organocatalizadores basados en aminas primarias quirales

Fernando Galindo Mendoza.

En la catálisis asimétrica podemos distinguir entre biocatalizadores, como son las enzimas, que se conocen desde mediados del siglo XIX a través de los trabajos de Pasteur, y los catalizadores organometálicos que se desarrollaron durante la segunda mitad del siglo XX.

En los últimos años, los catalizadores de amina primaria derivados de aminoácidos naturales, alcaloides y otras aminas quirales han surgido como catalizadores fácilmente disponibles, altamente versátiles y extremadamente potentes en síntesis asimétrica. Han demostrado ser catalizadores eficaces en una amplia gama de reacciones orgánicas enantioselectivas.

El trabajo realizado por los químicos Li-Wen Xu, Jie Luo y Yixin Lu trata de la catálisis asimétrica con organocatalizadores basados en aminas primarias quirales [1].

En dicho artículo se investigaron los efectos catalíticos de ácidos beta-amino primarios en condensaciones aldólicas intramoleculares, y la utilización de fenilalanina en síntesis de esteroides. En el año 2000 surgió la renovación de la catálisis orgánica y marcó el inicio del crecimiento explosivo de la moderna lista organocatalisis asimétrica.

El uso de aminas secundarias quirales ha demostrado ser un método muy potente, y dominó el campo de la catálisis amino desde el principio. El núcleo pirrolidina era omnipresente en numerosas estructuras de catalizadores que se utilizan ampliamente en cualquiera catálisis de enamina o activación de iminio.

En la activación de enamina, la transformación de un grupo carbonilo en una enamina aumentos intermedios el HOMO del nucleófilo, facilitando su reacción con un electrófilo. La activación de iminio baja el LUMO del electrófilo, aumentando su susceptibilidad hacia el ataque nucleofílico.

Los recientes avances impresionantes en reacciones enantioselectivas primarias amina catalizada demuestran la extraordinaria utilidad y versatilidad de aminas primarias en síntesis asimétrica, estableciendo los catalizadores como privilegiados en organocatálisis moderna. Este rápido desarrollo se puede atribuir tanto al descubrimiento de nuevos catalizadores de amina primaria y el diseño de nuevas reacciones orgánicas que hacen un uso completo de las propiedades únicas y reactividades de organocatalizadores basados en aminas primarias. Es

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de destacar que los resultados de muchas reacciones descritas en esta revisión fueron mejores que los obtenidos con las reacciones promovidas por catalizadores de amina secundaria basados en pirrolidina.

La Química es una ciencia en pleno desarrollo y un ejemplo sobresaliente lo constituye la organocatálisis es decir, la utilización de pequeñas moléculas para catalizar reacciones orgánicas. Aunque las primeras aplicaciones de la organocatálisis se llevaron a cabo con compuestos aquirales de modo que los productos obtenidos resultaron por fuerza racémicos, pronto se descubrió que los organocatalizadores enantioméricamente puros no sólo promueven la reacción de interés sino que pueden inducir alta enantioselectividad.

El trabajo realizado por los mismos investigadores Li-Wen Xu y Jie Luo nos informa sobre organocatalizadores quírales poliméricos, la Incorporación de una sal de amonio cuaternaria quiral en un polímero que permite la preparación de un organocatalizador quiral polimérico con el fin de utilizarlo en diversas transformaciones asimétricas en la síntesis orgánica[2].

Estos organocatalizadores son valiosos desde la perspectiva química verde, ya que no contienen ninguna especie de metal.

Además, varios tipos de organocatalizadores quirales se han desarrollado para su uso en síntesis asimétrica, y se han hecho intentos para producir catalizadores organometálicos quirales de polímero inmovilizado. Una de las principales ventajas de los catalizadores a base de polímeros es que pueden ser fácilmente separados del soporte (polímero) sólido; excelente capacidad de reciclaje y la viabilidad de su uso en sistemas de flujo innecesario.

Se han desarrollado algunos nuevos métodos para sintetizar polímeros quirales que contienen un enantiopuro cuaternario sal de amonio o una sal de iminio. De igual forma se han realizado estudios en polímeros con cadena lateral y quiralidad de la cadena principal.

Un método alternativo para obtener la sal de amonio cuaternario polímero inmovilizado implica una reacción de intercambio iónico entre la sal de amonio cuaternaria quiral y el sulfonato polimérico. Este método es útil para las sales de amonio cuaternario que tienen unas estructuras radicales.

Una de las principales ventajas de sales de amonio iónicamente inmovilizados es la simplicidad y la facilidad de síntesis.

Más importante aún, la sal de amonio cuaternaria quiral puede estar vinculada al soporte polímero sin la necesidad de la modificación química del catalizador quiral

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Este trabajo pone de relieve la síntesis de catalizadores organometálicos quirales poliméricos y sus aplicaciones en reacciones asimétricas.

Referencias:

[1] Xu L.-W., Luo J., Lu Y, ―Asymmetric catalysis with chiral primary amine-based organocatalysts‖, Chemical Communications. 14 1807–1821 (2009) DOI:10.1039/b821070e

[2] Itsuno S., Parvez M. M., Haraguchi N, ―Polymeric chiral organocatalysts‖, Polymer Chemistry. 2(9) 1942 (2011) DOI:10.1039/c1py00083g

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El tamaño no limita el poder: nanocatálisis y química verde

Violeta Gómez Ramírez

El campo de la química verde se ha enfocado en la prevención de la producción de componentes químicos tóxicos y de difícil degradación ambiental. Los objetivos de dicha rama de la ciencia química han sido diseñar la síntesis catalítica ideal; la mayor eficiencia de las materias primas; la economía atómica que trata de incorporar la totalidad de la estructura de los reactivos en las síntesis de un producto y disminuir así la cantidad de residuos. En la búsqueda de dichos objetivos un gran número de científicos han realizado múltiples investigaciones logrando así crear métodos de síntesis más eficientes y ―verdes‖. Un resultado importante es el de la síntesis catalítica asimétrica quiral, en la cual se logra una producción preferente de un tipo de enantiómeros sobre otro. Aún cuando no se ha logrado la catálisis ideal, los procesos se han mejorado notablemente.

La nanoquímica es una subdisciplina de la ciencia química. Ésta subdisciplina enfoca el trabajo de la materia prima a nivel atómico con lo que es factible el control de propiedades físicas y químicas de una molécula, tales como: capacidad y tiempo de reacción, tamaño, estabilidad de enlaces, solubilidad, fase de reacción (homogénea, heterogénea), etc. El reto científico de la nanoquímica respecto a la nanocatalísis, es la creación del tamaño y la forma específicos de nanocatalizadores para permitir el movimiento de materiales en la fase de reacción y el control sobre la morfología de las nanoestructuras para adaptar sus propiedades físicas y químicas según la reacción química necesaria.

El profesor Rajender S. Varma ha sido uno de los muchos investigadores que se han unido a la investigación para preservar el medio ambiente al igual que el doctor Vivek Polshettiwar, quienes han desarrollado programas que incluyen nanomateriales y alternativas de síntesis que son amigables con el medio ambiente para desarrollar en conjunto la nanocatálisis [1].

El proceso de síntesis catalítica asimétrica realizado con nanocatalizadores ha progresado gracias a la creación de un nanomaterial conocido hasta ahora como nanotubos de carbono (NTC) el cual, gracias a su nanotamaño, propiedades electrónicas, mecánicas y químicas, logra ser más específico para reaccionar con otras moléculas lo que disminuye los problemas de algunos procesos. Éste material fue estudiado por Xiangke Wang, de Chinese Academy of Sciences, quien con sus colaboradores, demostraron las propiedades que hacen único a este nanomaterial [2]. Debido a que las superficies de reacción de los NTC se extienden en un rango de 100~200 m2/g, con estos se logra un área superficial de mayor contacto con el componente activo del catalizador por su nanotamaño.

La importancia de los catalizadores se centra mayormente en que productos como medicamentos, productos de química fina, polímeros, fibras, combustibles, pinturas, lubricantes y más, no serían factibles sin catalizadores. Para optimizar el

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catalizador los nanomateriales incrementan la superficie expuesta al componente activo para así favorecer la reacción química entre los reactivos.

Gracias al rápido avance de la nanotecnología se ha hecho posible para la nanoquímica la preparación de una variedad de nanopartículas y nanomateriales con controlado tamaño, forma, morfología y composición, aunque aún no específicas. Los NTC han sido el material más útil y eficiente creado a partir de estos avances, volviéndose el nanomaterial más específico hasta el momento. Con los grandes avances en los métodos de preparación de los nanotubos de carbono, grandes esfuerzos se han dedicado a sus campos de aplicación, como el almacenamiento de hidrógeno, nanocables cuánticos, soportes de catalizadores y sensores químicos. Los NTC se han utilizado como nanocatalizadores, así como también han sido de gran utilidad en tratamientos de patologías humanas. Con respecto a las posibilidades de diversas aplicaciones técnicas, también ha sido considerado su uso para fines medioambientales.

Ya que la síntesis catalítica asimétrica se basa en el uso de catalizadores, la creación de los NTC ha sido un gran avance en la mejora de calidad y eficiencia de dicho proceso de síntesis, pues ayuda a la producción aún más específica de un tipo de enantiómero sobre otro.Los dos tipos de NTC logrados hasta el momento son: los de pared simple y los de pared múltiple, cuyas funciones se diferencian en la capacidad de almacenamiento, transporte y entrega de moléculas activas para las reacciones químicas. Los NTC son insolubles en disolventes de reacción propiedad que hace más fácil su separación de la mezcla de reacción, con lo que se obtiene sin energía adicional la fase de aislamiento del producto final, además de que una vez separado el producto deseado, los nanomateriales pueden usarse nuevamente en otra reacción de producción. Así mismo, si éstos son desechados al medio ambiente, su capacidad como sorbentes los vuelve residuos químicos ―verdes‖, es decir, que no representan un riego de contaminación.

Los métodos de síntesis que utiliza la industria química para transformar las materias primas deberían ser el foco de investigación de la química verde, ya que algunos métodos que se utilizan actualmente, fallan tanto en términos de materiales y eficiencia energética como en términos de las consecuencias de los reactivos que se utilizan hacia el medio ambiente y los seres humanos. Estas investigaciones hechas por el profesor Rajender S. Varma y el doctor Vivek Polshettiwar han buscado alcanzar el objetivo deseado de la química verde, al crear métodos y materiales de síntesis que reducen el tiempo de reacción y las necesidades de energía en el proceso de reacción, con la nano-catálisis han generado ―procesos y productos químicos más verdes‖.

Referencias

[1] Polshettiwar Vivek., Varma Rajender S, ―Green Chemistry by nano-catalysis”, Green Chemistry. 12 743-754 (2010) DOI: 10.1039/b921171c

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[2] Horváth, I. T.; Anastas, P T. Innovations and green chemistry. Green chemistry, 107, (2007), 2169 - 2173. 10.1021/cr078380v

[3] Ministerio de Ciencia e Innovación. www.idi.mineco.gob.es. (consultado Junio 02, 2015)

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Síntesis asimétrica vs catálisis homogénea: reactivos y catalizadores ecológicos

Regina Izquierdo R.

En el pasado se vigilaban únicamente algunos de los posibles efectos que la síntesis de compuestos orgánicos podría tener sobre los seres vivos y el medio ambiente. Actualmente, la legislación ambiental requiere que los procesos de síntesis química sean más eficientes, que no se generen compuestos con efectos nocivos para el medio ambiente y los seres vivos. Es decir, evitar generar consecuencias indeseables.

El trabajo realizado por K. Alfonsi y colaboradores [1] tiene como propósito brindar a los químicos médicos internacionales, una guía de herramientas que les permita el desarrollo de nuevos medicamentos utilizando los principios de la química verde [2]. Para ello crearon una selección de los disolventes y reactivos comúnmente utilizados clasificándolos en categorías. El criterio para generar las categorías depende del daño que podrían causar al medio ambiente. Así hay un grupo de reactivos preferibles, otros usables y unos evitables. Esta clasificación también tiene el fin de encontrar posibles sustitutos para aquellos que no cumplieran con las características deseadas. Hay algunos casos en los que esto no es posible y eso genera nuevos objetivos en la investigación de la química verde. Los investigadores están diseñando herramientas en línea para promover reactivos sintéticos más verdes, además de que quieren implementar el mismo enfoque del proyecto a laboratorios académicos. La industria farmacéutica se encuentra receptiva a los cambios propuestos y está dispuesta a adoptar el uso de síntesis más seguras y ecológicas.

Durante la producción industrial de sustancias químicas especializadas, la síntesis asimétrica se ve dominada por la catálisis homogénea debido a las enantioselectividades. A pesar de que la catálisis homogénea tiene mayores efectos negativos en la economía y en el medio ambiente.

En la investigación de P. Barbaro y colaboradores [3] se explica el uso de materiales hechos a partir de nanopartículas de metal (MNP) como catalizadores en procesos cotidianos. Se tomaron en cuenta ciertas características de los metales tales como sus efectos en el medio ambiente, su tamaño y su desempeño como catalizadores. La investigación se enfoca principalmente en la caracterización de catalizadores y su uso en la síntesis de sustancias químicas. El grupo de investigadores concluyó que los catalizadores de MNP tienen un gran potencial en la síntesis asimétrica debido a su facilidad de manejo y que al

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encontrarse en materiales sólidos insolubles, pueden ser separados fácilmente de los productos de reacción y ser reutilizados.

Referencias:

[1] Alfonsi K., Colberg J., Dunn P. J., Fevig T., Jennings S., Johnson T. A., Stefaniak M, ―Green chemistry tools to influence a medicinal chemistry and research chemistry based organisation‖, Green Chem. 10 31–36 (2008) DOI:10.1039/B711717E

[2] Srivastava M.M.; Sanghi R. (2005) Chemistry for Green Environment. Ed Narosa Publishing House.

[3] Barbaro P., Dal Santo V., Liguori F, ―Emerging strategies in sustainable fine-chemical synthesis: asymmetric catalysis by metal nanoparticles‖, Dalton Transactions. 39 8391-8402 (2010) DOI: 10.1039/c002051f

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Búsqueda de catalizadores verdes para síntesis orgánica

Enrique Bezaleel Linares E.

La industria química ha crecido debido a una demanda cada vez mayor de los productos sintetizados por ella. Una consecuencia de esto es el daño al medio ambiente debido a la utilización de procesos que generan desechos nocivos.

Como se sabe, la química verde se preocupa por encontrar el mejor camino para la disminución de la contaminación. Por ello se buscan y desarrollan nuevos procesos que minimicen el impacto ambiental de la síntesis química. Por tal motivo se pretende llegar a encontrar un disolvente barato, seguro y que no contamine el medio ambiente. Como sabemos, existe un compuesto disponible que cumple con esas expectativas, se le ha llamado: el disolvente universal; el agua. Sin embargo ha sido fuertemente criticado el uso de esta debido a que algunos reactivos en exceso y subproductos permanecen en ella. Actualmente se han estado buscando catalizadores capaces de minimizar el daño sobre medio ambiente, un ejemplo es: el quitosano.

B. Yang y colaboradores estudiaron las propiedades catalíticas del quitosano o también llamado Chitosán [1], que fue sintetizado y combinado con óxido de cobre (CuO). Esto produce un catalizador reciclable, tal sistema catalítico de tipo heterogéneo es útil para la reacción de Ullmann de CN en agua.

El quitosano (CS) se puede utilizar directamente como

catalizador debido a que: contiene un grupo amino, es insoluble en compuestos orgánicos y en agua alcalina, por otra parte también se le pueden combinar algunos elementos de transición y así promover diferentes tipos de reacciones.

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B. Yang y colaboradores estudiaron por otra parte la lipasa [2], que es otro catalizador de alta estabilidad utilizado en la síntesis de benzo [g] derivados del cromeno, a través de una reacción multicomponente es decir, donde tres o más reactivos se combinan en un solo recipiente para formar un solo producto, que contiene esencialmente los átomos que se agregaron inicialmente (excepto los productos de condensación tales como H, O, HCl o MeOH). Además, se extiende la promiscuidad de la enzima es decir la capacidad de la misma para catalizar más de un tipo de transformación química.

La síntesis benzo [g] derivados del cromeno tiene algunas bio-actividades, tales como antibacterianas, antiproliferación y antitumorales. Sin embargo para llevarse a cabo una buena reacción es crucial escoger el disolvente adecuado para un buen rendimiento.

Para esta reacción se utilizaron siete disolventes orgánicos; en etanol se obtuvo un 88% de rendimiento, el más alto. Depende mucho del disolvente para que la enzima se modifique y posteriormente realice su función. Otro factor que influye es la temperatura, se encontró que 55 °C es la temperatura óptima para esta reacción, y así obtener altos porcentajes de rendimiento (81% a 91%). Además, ésta ruta sintética aborda una economía atómica.

El desarrollo de catalizadores verdes apenas empieza, siendo el quitosano y la lipasa dos claros ejemplos de la búsqueda de mejores rutas.

Referencias:

[1] Yang B, Mao Z, Zhu X, Wan Y, " Functionalised Chitosan as a Green, Recyclable, Supported Catalyst for the Copper-Catalysed Ullmann C-N Coupling Reaction in Water.", Catalysis Communications., 60, 92–95(2015) DOI: 10.1016/j.catcom.2014.11.014

[2] Yang F, Wang H, Jiang L, Yue H, Zhang H, Wang Z, Wang L," A green and one-pot synthesis of benzo[g]chromene derivatives through a multi-component reaction catalyzed by lipase.", Royal Society of Chemistry., 5 (7), 5213–5216(2015) DOI: 10.1039/C4RA13272F

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Química verde de la mano con la síntesis catalítica asimétrica quiral

Michelle D. Olvera

Los nanomateriales se han convertido en una pieza clave en el desarrollo de nano-catálisis en la química verde. En algunos procesos de síntesis se utilizan ―catalizadores homogéneos‖, ya que favorecen la enantioselectividad. Al ser generalmente el catalizador un metal soluble, resulta difícil separarlo del producto final de la reacción, ya que genera residuos de metal. Es por ello que los investigadores Vivek Polshettiwar y Rajender S. Varma implementaron un ―catalizador heterogéneo‖ que se basa en un soporte de óxido de silicio. El óxido de silicio presenta excelente estabilidad química y térmica, cuya característica estructural es que tiene la capacidad de atrapar al dopante catalítico, por medio de la unión de las moléculas o por adsorción covalente, siendo el enlace covalente lo suficientemente fuerte para soportar las condiciones de la reacción.

La principal desventaja de un catalizador heterogéneo es que no todo el contenido sólido en donde el componente se adhiere en la superficie, es útil para la catálisis. Puede existir la ruptura entre el ligante y el metal, dando como consecuencia la necesidad de separar los residuos de metal en el producto final, así como en el caso de un catalizador heterogéneo.

Imagen 1.

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Las nanopartículas se emplean con el fin de evitar dichos residuos en el producto final. Las partículas de tamaño nanométrico logran que el componente activo del catalizador reaccione con un área mayor en la superficie de la reacción, imitando al catalizador homogéneo. El control sobre el tamaño y la morfología de las nano-estructuras para adaptar las propiedades físicas y químicas se ha convertido en un elemento fundamental en el desarrollo de nano-catálisis, ya que permite con mayor facilidad la manipulación de la enantioselectividad en las moléculas.

Vivek Polshettiwar y Rajender S. Varma diseñaron un método para la síntesis de óxidos metálicos con nano-estructuras, estos materiales se elaboraron a partir de materiales económicos en agua, sin utilizar ningún reactivo reductor o tapado. Cabe mencionar también que cuando se emplean los catalizadores nanoestructurados, estos pueden ser utilizados hasta 30 veces sin presentar ninguna pérdida notable en la actividad. Es ahí donde se explota un nuevo concepto económico, ambiental, sostenible y sintético que bien puede ser desarrollado en diversas áreas para contribuir con la química verde y así evitar una mayor contaminación en el medio ambiente.

En este artículo Kalluri V. S. Ranganath y colaboradores reportan la formación de NP des Pd en magnetita (Fe3O4) que resulta útil para la modificación quiral de NPs por medio de NHCs, enantiómericamente puros.

Se utilizó el método de impregnación por humedad para desarrollar el NPs Fe3O4 / Pd. La superficie de dichas nanopartículas fue modificada con sales de imidazolinio (catión formado por protonación de imidazolina) enantioméricamente puras. Las sales de imidazolinio fueron seleccionadas para modificar la reacción porque son fáciles de preparar por medio de amino alcoholes, además de que pueden transformarse en NHCs, utilizado como base en la reacción ya que forman complejos estables con muchos metales.

Imagen 2.

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Las propiedades catalíticas de la superficie modificada con sales imidazolinio en Fe3O4 / Pd NPs fueron evaluadas inicialmente en la reacción de a-arilación con 2-haluros de metilo-1-tetralona y varios de fenilo en tolueno a 808C, usando NaOtBu como base. Esto dio como resultado que Fe3O4 / Pd NPs actúa en la reacción con bromo-benceno, como un nano-catalizador quiral. La capacidad heterogénea de este sistema catalizador fue demostrada por un número de experimentos sin ninguna disminución de la actividad o selectividad de la reacción. Dichos experimentos comprobaron la importancia de los componentes de un sistema catalizador heterogéneo formado por Fe3O4/ Pd NP mediante NHCs quirales. En conclusión la catalización da como resultado un nuevo conjunto con entidades catalíticas fáciles de remover en el producto final de la reacción.

Referencias:

[1] Ranganath K. V. S., Kloesges J., Schäfer A. H., Glorius, F, "Asymmetric nanocatalysis: N-heterocyclic carbenes as chiral modifiers of Fe3O4/Pd nanoparticles", Angewandte Chemie - International Edition. 49 7786–7789. (2010) DOI: 10.1002/anie.201002782

[2] Polshettiwar V., Varma R. S, ―Green chemistry by nano-catalysis‖, Green Chemistry. 12 743 (2010) DOI:10.1039/b921171c

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Importancia de los productos quirales

Gres E. Pérez Gutiérrez.

La química se ha fortalecido notablemente debido a las investigaciones en sus diferentes ramas de aplicación. El progreso a futuro requiere nuevas técnicas en síntesis, por lo que se han hecho grandes inversiones a largo plazo que buscan generar mayores oportunidades en la aplicación industrial. Los nuevos procesos de síntesis a partir de la producción de moléculas quirales, han logrado disminuir la contaminación y aumentar la eficiencia de las materias primas.

Ya que muchas moléculas quirales están relacionadas con la vida, se nota la gran importancia de la síntesis asimétrica. Sin embargo, ya que los dos enantiómeros de una sustancia quiral, como podría ser un fármaco, tienen una interacción distinta en el receptor quiral, producen efectos distintos.

Se ha convertido en un reto para los químicos conseguir auxiliares quirales que permitan efectuar una síntesis asimétrica, por lo que se busca generar una gran cantidad de producto quiral a una velocidad superior a la misma reacción en su ausencia. Estudios realizados de procesos catalíticos que se centran en la química industrial, obtuvieron como resultado que aproximadamente el 75% de los procesos químicos usan catalizadores en cuatro áreas [1]:

Protección del medio ambiente (35%)

Productos químicos (23%)

Procesamiento de petróleo en las refinerías (22%)

Polímeros (20%)

Se asegura, que estos procesos son de alto rendimiento, por lo que aumenta la economía y además se protege el medio ambiente. Los catalizadores son importantes para la sostenibilidad y rentabilidad en los procesos químicos, ya que cumple con los objetivos que son procesos ambientales seguros, nuevas fuentes de materias primas y procesos a una velocidad sobresaliente.

Las primeras aproximaciones de la síntesis de las moléculas quirales se obtenían por mezclas racémicas. Gracias al descubrimiento por Wilkinsons y sus colaboradores, efectuaron la primera aproximación a la reducción catalítica asimétrica. Esto se logró empleando difosfina DIOP, consiguiendo una enantioselectividad elevada en la hidrogenación [2].

Debido a esta contribución, Knowles pudo desarrollar un proceso comercial de síntesis catalítica asimétrica que permite la obtención de L-DOPA (utilizada en el

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tratamiento de la enfermedad de Parkinson).Posteriormente, sintetizó la difosfina DiPAMP, desarrollando un proceso industrial basado en una transformación catalítica enantioselectiva [2]. Estos descubrimientos han dado lugar a aplicaciones industriales, tal como la farmacéutica.

La hidrogenación de cetonas en la síntesis de antibióticos β-lactámicos (con el catalizador Ru/difosfina/diamina), genera reacciones de transferencia capaces de hidrogenar diversos ácidos α, β-insaturados con niveles de enantioselectividad muy elevados. Una aplicación relevante es la síntesis de ácidos β-aril propiónicos quirales que se usan como antiinflamatorios, tal como el naproxeno.

Conforme mayores son las contribuciones, se vuelven más ambiciosos los objetivos de catálisis enantioselectiva. Uno de sus principales objetivos es mejorar la obtención de un producto que tenga una mayor pureza enantiomérica. Sharpless junto a Katsuki estudiaron las variables que intervienen en un proceso catalítico. El trabajo permitió la mejora de enantioselectividad en los procesos. Desde el punto industrial, se implementó en la preparación de fármacos β-bloqueadores.

El trabajo de Sharpless, Katsuki y Knowles, logra una importancia en los productos quirales en el sector químico farmacéutico, ya que estos procesos se han convertido en los más utilizados en la actualidad por los químicos sintéticos. Los procesos enantioselectivos aunque no son de menor dificultad, han permitido la preparación de una gran cantidad de moléculas quirales con pureza enantiómera [3].

El trabajo realizado por M. Shaheer Malik, Eul-Soo Park y Jong-Shik Shin, muestra la importancia de la construcción de químicos por medio de aminas quirales [4]. La amina quiral es uno de los componentes fundamentales que forman el núcleo estéreo-génico de los fármacos, que en forma enantiopura, son reconocidas en la industria por impartir actividad biológica en entidades químicas.

Existe un gran número de estrategias sintéticas para producir estas aminas, tal como la hidrogenación asimétrica de una base se Schiff, sin embargo, la investigación se llevó a cabo por medio de la biocatálisis. Este proceso es considerado una alternativa a la síntesis química. El principal objetivo es descubrir procesos que disminuyan reacciones severas y el uso de catalizadores de metales de transición tóxicos para lograr disminuir el impacto ambiental.

El proceso trajo retos técnicos derivados de las propiedades enzimáticas, por lo que el interés se enfocó en la ω-TA para la preparación de aminas en forma de enantiopuros. Lo que más ha llamado el interés en la química para llevar a cabo la

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síntesis asimétrica quiral, es como un catalizador proporciona acceso en la producción de aminas quirales con rotación catalítica.

La investigación logró producir aminas quirales de origen natural. La ω-TA es la única forma natural que produce una enzima capaz de aminación estereoselectiva, por lo que sus aplicaciones cumplen con el objetivo. Este proceso reduce la contaminación, por lo que compite con los procesos convencionales para convertirse en una alternativa de síntesis orgánica. Actualmente, se busca diseñar una enzima de alto rendimiento que permita una síntesis industrial de una amina para un destino seleccionado en la farmacéutica.

Referencias:

[1] Jenck J. F., Agterberg F., Droescher M. J, "Products and processes for a sustainable chemical industry: a review of achievements and prospects", Green Chemistry. 6 (11) 544 (2004) DOI: 10.1039/b406854h

[2] Bako P., Rapi Z., Keglevich G, "Catalytic Asymmetric Darzens Reactions", Current Organic Synthesis. 11(3) 361–376 (2014) DOI:10.2174/15701794113106660073

[3] Malik M.S., Park E.-S., Shin J.-S, "Features and technical applications of w-transaminases", Applied Microbiology and Biotechnology. 94 1163-1171 (2012) DOI: 10.1007/s00253-012-4103-3

[4] Rajagopal R, "Sustainable Value Creation in the Fine and Speciality Chemicals Industry", Sustainable Value Creation in the Fine and Speciality Chemicals Industry. 97 8111-8539 (2014) DOI: 10.1002/9781118677919

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Catálisis heterogénea de oxidación selectiva para una industria química sostenible

Abner Sandoval Cortés

La química verde le apuesta a procesos menos contaminantes que los tradicionales. Las reacciones catalíticas son las preferidas ya que a comparación de las reacciones estequiométricas, en estas se reduce la cantidad de residuos que se generan. Su velocidad de reacción es mayor, la energía de activación disminuye y el proceso es más amigable con el entorno.

Siendo de suma importancia para la industria química sostenible, encargada de la creación de nuevos materiales que tengan un grado de toxicidad menor. Para llevarse a cabo la producción de estos materiales, se usan metodologías a partir de la catálisis y así obtener productos amigables con el medio ambiente.

Z. Guo y colaboradores realizaron un trabajo sobre el desarrollo de nuevos materiales catalíticos o sistemas catalíticos para las reacciones de oxidación [1]. A partir de estas reacciones son como la industria puede producir todos sus materiales para comercializar. Este trabajo realizado fue por la importancia que se tiene en el sector productivo, pero teniendo en cuenta los daños que se tienen en el entorno.

Estas reacciones catalíticas se llevaron a cabo por que tienen mucha importancia tanto en la industria como en la química verde. Ya que reducen la cantidad de residuos que se generan en la reacción. Esto sirve para que los productos derivados de una reacción catalítica sean de calidad, pero que al momento de generarlos se tenga en cuenta al medio ambiente.

J. F. Jenck y su equipo de trabajo, realizaron estudios de los nuevos diseños de procesos y equipos aplicados a la industria química [2]. Ellos sabían que la catálisis de oxidación en la industria química actual, se usa para la producción de alcoholes, epóxidos, aldehídos, acetonas y ácidos orgánicos. Siendo ampliamente reconocida como una de las transformaciones más fundamentales porque son ejemplos de oxidación verde. Por lo tanto, estas reacciones son utilizadas para los procesos químicos sostenibles aplicados en la industria química

El equipo analizó los sistemas catalíticos propuestos con anterioridad para discutir las conexiones entre diferentes sistemas de oxidación catalítica. Esto para permitir el avance en el diseño racional de sistemas catalíticos eficientes, para reacciones de oxidación desafiantes.

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Para el sistema catalítico, se empleó oxigeno como oxidante ya que satisfizo el objetivo, siendo barato, seguro y produciendo como único subproducto: H₂O. Éste contribuye a ejecutar procesos de química verde y sostenible. Esto es porque es abundante y es considerado renovable, pudiendo sustituir materiales tóxicos que han sido empleados desde varios años atrás.

Este proceso de catálisis heterogénea de oxidación es la principal vía ―verde‖. Porque juega un papel importante en la industria para la fabricación de productos químicos básicos, síntesis de compuestos finos y limpieza del medio ambiente. Permitiendo la construcción de la sostenibilidad industrial, enfocada en el reciclaje y la reutilización de materiales.

Referencias:

[1]Guo Z., Liu B., Zhang Q., Deng W., Wang,Y., Yang Y, ―Recent Advances in Heterogeneous Selective Oxidation Catalysis for Sustainable Chemistry", Chemical Society reviews. 43 3480-524 (2014) DOI:10.1039/c3cs60282f.

[2] Jenck J., Agterberg F., Droescher M.J, ―Products and processes for a sustainable chemical industry: a review of achievements and prospects‖, Chemical Society reviews. 6 544-556 (2004) DOI:10.1039/b406854h.

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Oro y plata nanopartículas para la inmovilización de biomoléculas y catálisis enzimática: Opción viable y sostenible para una

síntesis verde

D. Iván Villalva M. Las enzimas se han utilizado desde tiempos inmemoriales en la fabricación de queso e indirectamente a través de levaduras y bacterias en la fabricación de alimentos. Las enzimas aisladas se utilizaron por primera vez en el año 1914, su naturaleza proteica probada en 1926 y su producción microbiana a gran escala comenzó en 1960. El negocio de enzimas industriales es cada vez mayor debido a la mejora de las tecnologías de producción, propiedades enzimáticas de ingeniería y nuevos campos de aplicación. Sin embargo, el impacto global de las enzimas en la industria está todavía muy limitado debido al alto costo de su producción y purificación. Las ventajas potenciales de enzimas como la alta especificidad, la actividad sin igual en condiciones suaves, de alto número de recambio, y biodegradabilidad se compensan con la desventaja evidente de inestabilidad intrínseca (característica de su estructura compleja) y por lo tanto dificultades en la producción, procesamiento y almacenamiento por sus altos costos [1]. El proceso de inmovilización se ha utilizado para mejorar la actividad de las enzimas y su estabilidad en medios acuosos y recientemente en medios no acuosos, ya que el medio no acuoso permite ventajas en el uso de disolventes orgánicos como medios de reacción tales como aumento de la solubilidad de los sustratos apolares, cambio de equilibrio termodinámico para favorecer la síntesis sobre la hidrólisis, la supresión de muchas reacciones secundarias dependientes de agua, disminución de la contaminación microbiana, además de una alta selectividad, alta especificidad y velocidades catalíticas en condiciones moderadas [2]. La inmovilización enzimática ha atraído el interés en procesos biotecnológicos gracias a su alta estabilidad operacional, fácil separación de los productos y bajo costo de aplicaciones industriales. Existe una amplia variedad de técnicas de inmovilización incluyendo adsorción sobre soportes sólidos, unión covalente o atrapamiento en matrices sílice/polímeros.

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Estas técnicas son generalmente fáciles de aplicar pero la unión del biocatalizador a la superficie de la matriz es relativamente débil, así cada método aplicado conlleva a un problema significativo con cambios estructurales en la molécula a inmovilizar. En los últimos años se ha encontrado una amplia aplicación para los materiales nanoestructurados como una matriz para la inmovilización de enzimas. Entre las diversas nanoestructuras estudiadas (sílice, nanotubos de carbono, nanopartículas de metal, etc.), las nanopartículas de plata y oro son muy atractivas para ser utilizados como matrices. Tienen la forma esférica con un diámetro nanométrico considerable, comparable al tamaño de las grandes moléculas biológicas tales como enzimas, anticuerpos y receptores. Con un tamaño mil veces más pequeñas que las células, éstas nanopartículas ofrecen una variedad de aplicaciones biomédicas, incluyendo el diagnóstico del cáncer, la radioterapia, el control y la supresión del crecimiento bacteriano, entre otras. Las nanopartículas de Ag y Au con gran área superficial y buenas propiedades electrónicas pueden proporcionar una superficie estable para la inmovilización de enzimas, debido a que las superficies de oro y plata permitir la absorción de moléculas de proteína, se han usado como una matriz para la inmovilización donde se retiene la actividad de las enzimas. La inmovilización enzimática sobre soportes sólidos con nanopartículas Au y Ag se realiza utilizando células enteras o enzimas aisladas, como la alcohol deshidrogenasa. La alcohol deshidrogenasa ha sido utilizada en la industria como catalizador para procesos catabólicos o para la producción de enantiómeros químicos. Las enzimas muestran una buena capacidad como biocatalizadores redox en una variedad de reducciones estereoselectivas. La alcohol deshidrogenasa de Thermoanaerobium brockii (TbADH) es una deshidrogenasa NADP-vinculada. La enzima es un tetrámero de cuatro cadenas polipeptídicas idénticas, cada uno compuesto de 352 aminoácidos. La TbADH oxida preferentemente alcoholes secundarios. Para facilitar la reutilización del cofactor costoso, se han hecho esfuerzos en el sistema regenerativo enzima-cofactor inmovilizado en la misma matriz. La construcción de tal sistema es esencial para elegir el apoyo apropiado que conserva el cofactor mientras que permite el sustrato y producto para pasar a través. Las preparaciones de enzima-cofactor-partículas son mucho más fáciles de reutilizar y permitir el diseño de reactores más flexible, siendo una opción más viable y aceptable tomando en cuenta la contaminación y el deterioro del planeta por agentes tóxicos.

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En su trabajo, GAP y colaboradores han preparado nanopartículas de oro y plata funcionalizadas para las inmovilizaciones de TbADH y su cofactor NADPH. El objetivo era estudiar el efecto de diferentes preparaciones (físico, covalente, e inmovilizaciones de reticulación) sobre la actividad y la estructura de las enzimas. El tamaño de las nanopartículas y la estructura de la enzima antes y después de su interacción se caracteriza por TEM, dicroísmo circular, y espectroscopía de fluorescencia. También se estudió la unión del cofactor, mediciones de la actividad, estabilidad de almacenamiento, y la capacidad de los bioconjugados TbADH-NADPH nanopartículas inmovilizadas para sintetizar alcoholes quirales con alta enantioselectividad usando 7-hidroxi-2-tetralona como sustrato.

Como resultado de la investigación se observó que se propuso un método sencillo para la síntesis de alcohol con alta pureza enantiomérica. Para ello, se utilizaron modificaciones de oro y plata superficiales coloidales con ácido 3-mercaptopropanoico y cisteamina para generar carboxilo y aminas de oro y plata, funcionalizados de 15 y 45 nm, respectivamente. El alcohol TbADH y su cofactor (NADPH) eran físico y covalente (mediante adsorción directa y el uso de reticulante) inmovilizada en la superficie de las nanopartículas. En contraste con las inmovilizaciones físicas y covalentes que llevaron a una pérdida de 90% de la actividad enzimática inicial y 98% de inmovilización, el uso de un agente de reticulación en proceso de inmovilización promovió una pérdida de 30% de la actividad enzimática inicial y >92% de inmovilización. El rendimiento de inmovilización NADPH era aproximadamente 80%. Los mejores resultados en términos de actividad se obtuvieron con nanopartículas de Ag-citr funcionalizado con grupos carboxilo (Ag-COOH), Au-COOH (CTAB), y Au-citr funcionalizados con grupos amina y estabilizadas con CTAB (Au-NH 2 (CTAB)) nanopartículas tratadas con 0,7% y 1,0% de glutaraldehído. La conformación de la enzima sobre la inmovilización se estudió usando espectroscopía de fluorescencia y dicroísmo circular. La inmovilización de la enzima sobre las nanopartículas de Au-NH tratados con glutaraldehído 2 (CTAB) promueve una estabilización adicional y la preservación de aproximadamente el 50% de la actividad enzimática después de 15 días de almacenamiento.

Referencias [1] Galina A., Кamil Z., Žvátora P., Král V, ―Gold and silver nanoparticles for biomolecule immobilization and enzymatic catalysis‖, Nanoscale Research Letters. 7 287 (2012) DOI: 10.1186/1556-276X-7-287

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[2] Sang Y. Lee., Laxmi A, ―Enzyme stability and stabilization—Aqueous and non-aqueous environment‖, Process Biochemistry. 43 1019–1032 (2008) DOI: 10.1016/j.procbio.2008.06.004

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Glosario

Abiótico: Factores inanimados que afectan a un ecosistema

Ácidos sulfónicos: Los ácidos sulfónicos son el producto final de la oxidación del azufre de los mercaptanos.

Adsorción: La adsorción se utiliza para eliminar de forma individual los componentes de una mezcla gaseosa o líquida. El componente a separar se liga de forma física o química a una superficie sólida.

Alcohol alílico: El alcohol alílico se utiliza como producto intermedio en la industria farmacéutica, se emplea en la producción de glicerol, ftalato de dialilo, isoftalato de dialilo (monómero y prepolímero) y en la fabricación de acroleína. Se utiliza también, en ocasiones, como herbicida.

Aminas alifáticas: Son compuestos que se obtienen cuando los hidrógenos del amoníaco son reemplazados o sustituidos por radicales alcohólicos.

Aminas aromáticas: Se obtienen al reemplazar o sustituir los hidrógenos del amoníaco por radicales aromáticos.

Aminoácidos: Es un compuesto orgánico con un grupo amino (-NH2) y

un grupo carboxilo (-COOH) enlazados al mismo carbono.

Astroquímica: Es la ciencia que estudia composición química de la materia encontrada en el universo.

Auxiliar quiral: Un auxiliar quiral es una sustancia que se incorpora temporalmente en una síntesis orgánica con el fin de controlar el resultado estereoquímica de la síntesis. La quiralidad presente en el auxiliar puede sesgar la estereoselectividad de las reacciones posteriores. El auxiliar entonces puede escindirse del sustrato y por lo general se recupera para su uso futuro.

Biosfera: Es la capa del planeta tierra donde se desarrolla la vida.

Caracterización: La caracterización es un tipo de descripción cualitativa que puede recurrir a datos o a lo cuantitativo con el fin de profundizar el conocimiento sobre algo. Para cualificar ese algo previamente se deben identificar y organizar los datos; y a partir de ellos, describir (caracterizar) de una forma estructurada; y posteriormente, establecer su significado (sistematizar de forma crítica) (Bonilla, Hurtado & Jaramillo, 2009).

Carbapenem: Los carbapenems son los antibióticos β-lactámicos dotados de mayor espectro, actividad y resistencia a las β-lactamasas. Por

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sus cualidades son imprescindibles en el tratamiento empírico, en monoterapia, de numerosas infecciones nosocomiales graves —incluso algunas de origen comunitario— y en la terapéutica dirigida de las producidas por bacterias gramnegativas multirresistentes.

Catálisis heterogénea: Catálisis en la cual el catalizador se encuentra en un estado de agregación distinto al de las especies que participan en la reacción. La catálisis heterogénea más importante es aquélla en la que interviene un catalizador sólido y un medio de reacción gaseoso. La reacción se localiza en un espacio bidimensional: la superficie del catalizador (por eso es importante el estado de división del catalizador: molido o en polvo).

Catálisis homogénea: Catálisis en la cual el catalizador, los reactivos y los productos están en la misma fase (generalmente como gases o líquidos) La reacción entre los reactivos y el catalizador se lleva a cabo en un espacio tridimensional, el del volumen que el sistema ocupa; la velocidad de la reacción aumenta según la concentración del catalizador. El catalizador que se consume en una reacción se regenera en otra etapa.

Catálisis microheterogénea: Catálisis en la que los catalizadores pueden ser enzimas, metales coloides y otros coloides orgánicos.

Catálisis: Aceleración de la velocidad de reacción química mediante un catalizador. El termino catálisis se utiliza para clasificar las reacciones que se efectúan en presencia de una especie química que no aparece en los productos (Berzelius, 1836). En todo proceso de catálisis hay una asociación temporal del catalizador con uno o más de los reactivos, por lo que con frecuencia se produce una aceleración preferencial de la velocidad de una reacción con respecto a todas los demás posibles (Catálisis selectiva) a partir de los reactivos.

Catalizador: Es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción sin intervenir en su equilibrio (Ostwald, 1902). Se recupera al final de la reacción, aunque se transforme durante ella.

Centro quiral: Se llama centro quiral a un átomo unido a cuatro sustituyentes diferentes. Una molécula que posee un centro quiral tiene una imagen especular no superponible con ella, denominada enantiómero. Lo usual es que éstos centros sean carbonos sin embargo el nitrógeno, azufre y fósforo también pueden causar quiralidad en las moléculas.

Cetonas: Una cetona es un compuesto orgánico caracterizado por poseer un grupo funcional carbonilo unido a dos átomos de carbono. Suelen ser menos reactivas que los aldehídos dado que los

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grupos alquílicos actúan como dadores de electrones por efecto inductivo. Las cetonas se forman cuando dos enlaces libres que le quedan al carbono del grupo carbonilo se unen a cadenas hidrocarbonadas. El más sencillo es la propanona, de nombre común acetona.

Clonidina: La clonidina trata la hipertensión arterial mediante la disminución de la frecuencia cardíaca y la relajación de los vasos sanguíneos para que la sangre pueda fluir más fácilmente a través del cuerpo.

Cometas: Los cometas son formados por una mezcla de substancias duras y gases congelados; su estructura consta de un núcleo, hecho de hielo y roca, rodeado de una atmósfera nebulosa.

Cristalización: Proceso por el cual se forma un sólido cristalino a partir de un gas, un líquido o una disolución.

Cromatografía: Método de separación de mezclas. Aprovecha las diferencias en propiedades físicas para separar cada componente. Se compone de una fase móvil y una estacionaria.

Degradación controlada: Los productos químicos deberán diseñarse de modo que al final de su vida útil no persistan en el medio

ambiente y se degraden de forma controlada.

Destilación: Consiste en calentar una mezcla líquida al punto de ebullición de una de las sustancias, y separar y condensar los vapores formados para obtener la sustancia de interés sin impurezas.

Es un proceso que consiste en calentar un líquido hasta su temperatura de ebullición, condensar los vapores formados y recolectarlos como líquido destilado.

Diasteroisómeros: Los estereoisómeros que no se relacionan entre sí como imagen especular se denominan diastereómeros o diastereoisómeros.

Dicroísmo circular: Es una técnica de espectroscopía de absorción electrónica, basada en el cambio de configuración electrónica molecular de un estado fundamental a un estado excitado, debido a la absorción de radiación electromagnética polarizada. La teoría de dicroísmo circular fue desarrollada por B Neumann y F Snatzke (1990).

Discinecia: La discinesia es un trastorno neurológico. Una persona con discinesia suele tener problemas para hacer los movimientos musculares voluntarios y hace movimientos involuntarios sin control sobre ellos.

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Diseñar para la separación: Las operaciones de separación y purificación deben diseñarse minimizando el consumo de materia y energía.

Economía atómica: La idea se basa en el diseño de métodos sintéticos en los que la incorporación al producto final de todos los materiales usados en la síntesis sea la mayor posible. Esto provoca que los pasos necesarios para la obtención de una sustancia sean los más selectivos posibles y se minimice la formación de subproductos y por lo tanto de residuos.

Efecto sombrilla: Describe la racemización de los compuestos con nitrógenos quirales de tres sustituyentes.

Electroforesis: La electroforesis es una técnica para la separación de moléculas según la movilidad de estas en un campo eléctrico a través de una matriz porosa, la cual finalmente las separa por tamaños moleculares y carga eléctrica, dependiendo de la técnica que se use.

Electroforesis capilar: La electroforesis capilar (CE) es una técnica de separación que se ha desarrollado gracias a los avances de la cromatografía líquida de alta eficacia junto con los procedimientos más tradicionales de electroforesis. Esta técnica permite separar bastante bien biomoléculas, donde la

cromatografía líquida se muestra menos eficaz, y compuestos de pequeña masa molecular, difíciles de estudiar por los procedimientos clásicos de electromigración en soporte.

Enantiómero: Es un isómero que tiene la misma fórmula molecular y la misma secuencia de átomos enlazados, con los mismos enlaces entre sus átomos, pero difieren en la orientación tridimensional de sus átomos en el espacio.

Espectroscopía: La espectroscopia es el estudio del espectro luminoso de los cuerpos, permite detectar la absorción o emisión de radiación electromagnética de ciertas energías, y relacionar estas energías con los niveles de energía implicados en una transición cuántica.

Etodolac: Antiinflamatorio no esteroideo que inhibe las hormonas que causan inflamación y dolor en el cuerpo.

Extracción: Es la técnica empleada para separar un producto orgánico de una mezcla de reacción o para aislarlo de sus fuentes naturales por medio de un disolvente.

Fosfina: Thihidruro de fósforo (PH3). Entre sus derivados destaca la trifenilfosfina, (C6H5)3P, y es un ligando presente en diversos complejos de metales de transición (Como Ru y Rh) que se utilizan como catalizadores.

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Glúcidos: Los glúcidos son compuestos orgánicos de gran importancia biológica, ya que su función más importante es la de ser una gran fuente de energía. También se los conoce con el nombre de hidratos de carbono o azúcares.

Homoquiralidad: Es la propiedad de un grupo de moléculas que tienen la misma quiralidad.

Imidas: Son compuestos que contienen dos grupos acilo unidos a un nitrógeno mediante enlaces simples.

Ingredientes tensioactivos: Componente fundamental de los detergentes. Se clasifican en cuatro grandes grupos atendiendo a la naturaleza del grupo hidrofílico o polar: aniónicos, no iónicos, catiónicos y anfóteros.

Interferómetro: Es un instrumento que usa la interferencia de las ondas de luz para medir las longitudes de onda de la luz.

Ligando: Es una molécula, átomo o grupo enlazado a un átomo característico o ―central‖ a una entidad poliatómica. Se emplea cuando un átomo central es metálico.

Meteoritos: Generalmente son rocas de gran tamaño, siendo pedazos de escombros de asteroides o cometas que chocan con la superficie de la Tierra.

Minimizar la diversificación de las materias primas: En un sistema de productos multi-componentes la diversidad de los materiales de partida deben minimizarse para facilitar el reciclado y mantener el valor de los materiales usados.

Naproxeno: Es un miembro del grupo ácido arilacético de fármacos antiinflamatorios no esteroideos. En forma de tabletas convencionales está indicado para el tratamiento de la artritis reumatoide, osteoartritis, espondilitis anquilosante y artritis juvenil. También está indicado para el tratamiento de tendinitis, bursitis, esguinces y para el manejo del dolor posquirúrgico.

Número másico: La suma del número de protones y neutrones en el núcleo se denomina número másico del átomo y se designa por la letra, "A".

Organocatalizador: El catalizador orgánico para organocatálisis, o organocatalizador normalmente requiere una carga superior, que es la cantidad de catalizador por importe unitario de reactivo que los catalizadores tradicionales que contienen metales. La organocatálisis acelera la reacción química mediante el uso de pequeñas moléculas orgánicas. El organocatalizador tiene ventajas de sensibilidad mínima a la humedad y al oxígeno, buena disponibilidad, bajo costo, y baja toxicidad. Esto hace que el beneficio del catalizador orgánico sea mucho

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más grande a la producción de intermedios farmacéuticos que los catalizadores de metal.

Oxidación: Es el proceso químico donde un reactivo pierde electrones o se enlaza a un átomo más electronegativo.

Polarización: Es una propiedad de las ondas que pueden oscilar con más de una orientación. Es un fenómeno por el cual el campo eléctrico oscila sólo en un plano polarizado definido por dos vectores, uno de ellos paralelo a la dirección de propagación de la onda y otro perpendicular a esa misma dirección el cual indica la dirección del campo eléctrico.

Polarización circular: El vector de campo eléctrico describe una trayectoria circular. Si rota en el sentido de las agujas del reloj, la polarización tiene dirección hacia la derecha. Si lo hace en sentido contrario, la polarización se dirige a la izquierda.

Polvo estelar: El polvo estelar es la mezcla de residuos de meteoros al haber colisionado junto con gases y otras partículas interestelares.

Purificación: Proceso que elimina las impurezas de una mezcla.

Quiralidad: Propiedad de una molécula. Una molécula quiral desvía el plano de la luz polarizada.

Quitosano: Es un biopolímero lineal formado por monómeros de D–glucosamina con una importante aplicación en la agricultura por su actividad antifúngica y antibacteriana.

Racemato o mezcla racémica: Mezcla de cantidades iguales de dos enantiómeros.

Racemización: Reacción que convierte una sustancia ópticamente pura en sus estereoisómeros.

Radar: Es un sistema que usa ondas electromagnéticas para medir distancias, altitudes, direcciones y velocidades de objetos estáticos o con movimiento.

Radiación electromagnética: Es la propagación de energía como ondas electromagnéticas o partículas subatómicas a través del espacio.

Reducción de derivados: La formación de derivados debe ser reducida al mínimo o, si es posible, evitarla, porque esto requiere reactivos y disolventes adicionales que generan más residuos.

Riluzol: Disminuye los niveles de glutamato en el cuerpo, un aminoácido que afecta los nervios que envían mensajes desde el cerebro a los músculos. Las personas con esclerosis lateral amiotrófica pueden tener niveles muy altos de glutamato, lo que puede dañar las células nerviosas.

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Síntesis enantioselectiva: También llamada síntesis quiral o síntesis estereoselectiva. Es una síntesis orgánica la cuál introduce más de un elemento quiral nuevo y deseado.

Sonda: Dispositivo utilizado para estudiar los cuerpos celestes del Sistema Solar o en general del universo. A diferencia de los satélites artificiales, las sondas no establecen una órbita alrededor del cuerpo que estudian, sino que se fijan rutas específicas.

Sonicación: La sonicación es el acto de la aplicación de la energía del sonido para agitar las partículas en una muestra.

Sublimación: Método de separación de fases que se basa en modificar el estado sólido de un material por el de estado gaseoso, sin llevarlo hacia el estado líquido.

Sucralosa: Aditivo endulzante no calórico. Se puede sintetizar a partir la sacarosa.

Tagatosa: Endulzante de estructura muy similar a la fructosa. Se puede encontrar en productos utilizados en la vida diaria. Su degradación metabólica es especial, pues provee de pocas calorías.

Técnicas cromatográficas: En cromatografía los solutos se separan en base a la distinta velocidad de desplazamiento cuando son arrastrados por una fase móvil a través de un lecho cromatográfico

que contiene a una fase estacionaria (sólida o líquida). Dentro de estas técnicas se encuentra: la cromatografía líquida, cromatografía líquida de presión alta o media, cromatografía flash, simulated moving bed (SMB), cromatografía contracorriente y CLRPIPI, cromatografía de líquidos subcrítico y supercrítico y cromatografía de gases.

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Créditos editoriales

Esta obra colectiva contó con la colaboración especial de:

Editora en Jefe Karla Sánchez Liévanos

Contenidos D. Iván Villalva M Fernando Galindo Mendoza Enrique Bezaleel Linares E.

Lista de autores Adrián A. Ortega Editor sección de síntesis Saúl Puebla Román. Editora sección de quiralidad Diana Callejas-Yañez Editora sección de caracterización K. Ariadna Colin M. Editora sección de química verde Gres E. Pérez Gutiérrez Editor reseñas de síntesis Osvaldo Hernández Cuellar Editor reseñas quiralidad Adináh Tamayo Badillo. Editor reseñas caracterización Rodolfo Martínez Romero. Editora reseñas química verde Regina Izquierdo R. GlosarioD Daniela S. Arana

Estefanía de J. Terán S.

Diseño gráfico y selección portadas Abner Sandoval Cortes Ingrid Salazar-Carreón Mariant Bryceidi Fomperosa Erika Cano Tapia Michelle D. Olvera.