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EL PREMIO NOBEL DE QUÍMICA 2016: Máquinas Moleculares


La academia Real Sueca de Ciencias laureó a los científicos Jean-Pierre Sauvage, Sir James Fraser Stoddart y Bernard L. Feringa con el premio Nobel de química en 2016 “Por el diseño y síntesis de las máquinas moleculares”.


En nuestro día a día, estamos acostumbrados a utilizar diversos tipos de máquinas para ayudarnos en las tareas de los más variados tipos, algunas tan simples como la preparación de un café y otras extremadamente complejas como la línea de montaje de un automóvil. El diseño y construcción de nuevas maquinarias está fuertemente asociado al desarrollo tecnológico y científico y, como resultado, viene trayendo más comodidad y recursos para nuestra sociedad. El concepto de construir máquinas moleculares es bastante reciente y la construcción efectiva tiene cerca de 25 años atrás.

Una de las mayores influencias e inspiraciones para la construcción de máquinas moleculares vino del físico Richard Feynman, también laureado con el premio Nobel de Física en 1965. En su famosa conferencia en la reunión anual de la Sociedad Americana de Física, en el año 1959, cuyo título era “There's plenty of room at the bottom” que en traducción libre se puede entender como “Todavía hay mucho espacio allá en el fondo”, Feynman quería transmitir la idea que todavía había mucho espacio para ser explorado en el interior de los átomos, apuntando claramente a un nuevo camino para el desarrollo de la ciencia y tecnología de la época que se configuró en los siguientes años como el área de la nanociencia y nanotecnología, con la perspectiva inclusive de construcción de máquinas moleculares, apuntada por Drexler en su libro “Engines of Creation”.

Cuando se piensa en la construcción de una máquina es necesario disponer de varias piezas. El funcionamiento adecuado de esta máquina depende de cómo sus componentes responden uno a otros cuando hay un estímulo externo de energía, o sea, cuando la máquina está prendida. Muchas de la máquinas con las cuales estamos acostumbrados tienen funcionamiento basado en movimientos de sus componentes internos. Saber cómo controlar esos movimientos para que la máquina pueda desempeñar de forma correcta sus funciones es algo fundamental para los proyectistas e ingenieros.

Construir máquinas a nivel molecular posee los mismos desafíos (¡y otros más!) para los químicos, pues estamos acostumbrados a construir moléculas a través de la formación de enlaces covalentes entre los átomos, de forma que los movimientos del sistema están basados en la rotación en torno de enlaces simples, estiramiento de los enlaces y en la deformación de los ángulos de enlace.


Otra inspiración para la construcción de las máquinas moleculares es la propia naturaleza, como, por ejemplo, el motor rotatorio de la síntesis de ATP que convierte ADP en ATP, el motor lineal miosina-actina capaz de crear las contracciones musculares y, también la línea de producción de proteínas existentes en el interior de los ribosomas. Vale la pena resaltar, que los estudios con los ribosomas llevaron al premio Nobel de química en 2009.

Sin embargo, la construcción de máquinas moleculares solo fue posible gracias al desarrollo de moléculas entrelazadas sin el uso de enlaces covalentes y de moléculas conteniendo enlaces isomerizables capaces de girar en una única dirección.

  • Contribuciones de los laboratorios de J-P Sauvage: Catenanos

El estudio de las moléculas entrelazadas tuvo un inicio con la síntesis de los catenanos que son arquitecturas moleculares formadas por dos (o más) anillos macrocíclicos entrelazados unos con otros, de forma que, a pesar de no haber enlaces covalentes entre ellos, uno no se puede separar del otro (Figura N°1). A este tipo de unión molecular se le dá el nombre de enlace mecánico. El nombre de esa clase de compuesto es derivado de la palabra “catena” que, en Latín, significa “cadena, corriente”.


Figura N°1. Catenanos

El primer reporte sobre la síntesis de catenanos surgirían en el inicio de la década de 60, cuando el grupo profesor Wasserman público un trabajo describiendo la preparación del compuesto 3, mediante la reacción 1 y 2 (Esquema N°1). La formación del producto 3 está fuertemente vinculada a la remota probabilidad de que, en el momento de ciclización, el compuesto 2 se encuentre en el interior del 1, justificando así el bajo rendimiento obtenido en la época. En este caso, el compuesto sintetizado fue un catenano, donde el prefijo “[2]” indica el número de anillos macrocíclicos interenlazados.


Esquema N°1. Síntesis del catenano 3, descrito por Wasserman

En 1983, el grupo del profesor Jean-Pierre Sauvage introdujo un nuevo concepto denominado de “síntesis por molde”, que permitió la obtención de catenanos de manera bastante eficiente, dada su complejidad. Así como Wasserman, Sauvage logró que una molécula acíclica se cerrará alrededor de una estructura cíclica preexistente. La gran diferencia es que él utilizó un ión Cu (I) para colocar las moléculas en la posición adecuada para que el cerrado pudiese ocurrir.

El rendimiento global de la obtención de 9 fue del 42% (Esquema N°2), que puede ser considerado extremadamente eficiente, dada la complejidad de formación de 9 y de los precedentes existentes hasta entonces. Para obtener el compuesto libre del ión Cu (I), bastó tratar a 9 como un ligante con alta afinidad por el metal, en este caso, el ion cianuro (Esquema N°3).

Puede decirse que este fue un avance que ayudó vigorosamente el desarrollo de la química de los compuestos teniendo enlaces mecánicos, pues proporcionó a los científicos de la época una manera eficiente de preparar esas estructuras.


Esquema N°2. Síntesis del catenano 9, descrito por Sauvage

Esquema N°3. Obtención del catenano 10 a partir de 9 por la remoción del ion Cu(I)

El grupo de Sauvage empleó su metodología en la obtención de estructuras todavía más desafiantes que los [2] catenano. Uno de los ejemplos que se puede citar es la síntesis de las estructuras conocidas como Trefoil Knot, cuya traducción es “nudo de trébol” (Figura N°3-A). Estos símbolos hacen parte de la iconografía de muchas culturas antiguas, como en es el caso del Triquetra (Figura N°3-B), un símbolo encontrado en los libros de la cultura celta que representa la santa trinidad de la fé cristiana.


Figura N°3. Representación genérica del Trefoil Knot y de la Triquetra

En los primeros trabajos referenciados por el grupo de Sauvage, estos compuestos fueron obtenidos con rendimiento bajo (3%), sirviendo como prueba del concepto de que era posible obtener tales estructuras. El grupo de Sauvage invirtió esfuerzos para mejorar su metodología de síntesis de moléculas interenlazadas mecánicamente, de modo que permitiese que tales estructuras pudiesen ser obtenidas con alta eficiencia, viabilizando así posibles aplicaciones.

Cerca de 10 años después, el mismo grupo publicó trabajos en los que mostraban ser posibles obtener catenanos y Trefoil Knots en excelentes rendimientos (Esquema N°4). Como es posible notar, la estrategia de “síntesis por molde” utilizando iones Cu(I) fue mantenida, sin embargo, la principal diferencia está en la etapa de macrociclización, que fue alcanzada utilizando la reacción de metátesis del del anillo cerrado (RCM) en lugar de reacciones de alquilación. Vale resaltar que el desarrollo de esta reacción fue responsable para la concesión del Premio Nobel de Química en el 2005 a los investigadores Yves Chauvin, Robert H. Grubbs y Richard R. Schrock.


Una de las características de las máquinas con las cuales lidiamos en nuestro día a día es el hecho que, a través de un estímulo externo, podem