Por primera vez, los investigadores han medido la formación en vivo de enlaces quirales a nivel de una sola molécula. El método podría descubrir ‘mecanismos de reacción previamente desconocidos de reacciones enantioespecíficas, lo cual es [currently] realmente difícil y requiere mucho tiempo”, explica el químico de materiales Sascha Feldmann de la Universidad de Harvard, EE. UU., que no participó en el proyecto.
La detección de propiedades químicas como la quiralidad generalmente involucra mediciones macroscópicas. ‘[This] trae resultados promediados por conjunto’, dice Xuefeng Guo, de la Universidad de Pekín, China. Ahora, el equipo de Guo ha desarrollado una forma de monitorear la formación de centros quirales individuales en tiempo real.
«Esta es la primera vez que una reacción tan compleja se monitorea in situ, en tiempo real y al nivel de una sola molécula», dice Guo. Señala que el nivel de detalle sin precedentes proporcionado por la técnica permitió al equipo caracterizar y «comprender en su totalidad los diferentes pasos de reacción».
Para ello, el equipo de Guo utilizó uniones moleculares basadas en grafeno, una especie de componente electrónico microscópico. ‘[They could] considerarse resistencias’, explica Guo. ‘La arquitectura básica del dispositivo es una estructura de sándwich electrodo-molécula-electrodo.’
Cualquier cambio químico en la molécula integrada provoca cambios en la resistencia eléctrica de la unión, que se detectan mediante mediciones de corriente continua.
En el experimento de Guo, la molécula ‘emparedada’ se funcionalizó con maleimida, un sustrato clásico en las adiciones asimétricas de Michael. Cuando los aniones de los compuestos de 1,3-dicarbonilo atacan a la maleimida, el aceptor de Michael, se forma un centro quiral. El diseño del experimento significa que los investigadores pueden decir qué enantiómero se forma.
La detección de diferentes enantiómeros es posible debido al efecto de selectividad de espín inducido por quiralidad (Ciss). «Ciss fue descubierto… hace unas dos décadas», explica Feldmann. «Se basa en la observación de que una corriente de electrones se polariza en espín al atravesar un medio quiral». En el nuevo trabajo, esto se usa para detectar la quiralidad del producto de reacción y los intermedios in situ, agrega Feldmann.
enantiómeros [would] muestran la misma resistencia sin inyección de espín’, dice Guo. ‘La adopción del efecto Ciss hace que la quiralidad sea medible.’
Para determinar la estructura estereoespecífica exacta de los intermedios de reacción, los investigadores prepararon diferentes uniones moleculares como experimentos de control. Al anclar moléculas con configuraciones quirales conocidas al dispositivo de detección de una sola molécula, la medición con corriente polarizada por espín podría identificar información quiral, explica Guo. ‘En última instancia, estas asignaciones fueron corroboradas por mediciones adicionales, [including] espectros de efecto túnel de electrones inelásticos y cálculos teóricos», explica Feldmann.
Además, los experimentos proporcionan una prueba poderosa del mecanismo y los orígenes del efecto Ciss, lo que corrobora una teoría recientemente informada. ‘La arquitectura de uniones de una sola molécula proporciona apoyo experimental para la llamada «teoría de la cara giratoria», [and helps] entender mejor el mecanismo del efecto Ciss’, explica Feldmann. Esta idea sugiere que el efecto aparece en las interacciones de interfaz entre el electrodo y las moléculas quirales. Las simulaciones basadas en la teoría de la spinterface coinciden claramente con los nuevos datos experimentales, por lo que[clarifying] el mecanismo del controvertido efecto Ciss, [and enabling us] para cambiar reversiblemente la quiralidad de la reacción química in situ’, dice Guo.
Según Feldmann, esta característica final podría usarse algún día para controlar el resultado estereoquímico de las reacciones, sin auxiliares ni catalizadores quirales. ‘Este modo activo de inducción de quiralidad, [could] ahorrar una enorme cantidad de recursos y permitir la síntesis de productos que antes eran inaccesibles’, dice.
A corto plazo, la técnica podría proporcionar un análisis mejorado de los cambios de quiralidad durante las reacciones químicas. Guo cree que la técnica podría conducir al descubrimiento de «una gran cantidad de información individual microscópica, incluidos los mecanismos de transmisión y amplificación de la quiralidad, y la evolución de reacciones asimétricas a escala molecular». Feldmann señala que tales hallazgos podrían ayudar directamente a la industria farmacéutica a fabricar medicamentos de manera más eficiente.
