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Um dos desafios centrais para os químicos sintéticos é impor o controle sobre os radicais livres. Moléculas altamente reativas com um elétron desemparelhado, os radicais livres podem ser familiares para você; esses são os tipos de moléculas para as quais tomamos suplementos antioxidantes, em um esforço para domar o estresse oxidativo.
No mundo da química sintética, no entanto, os radicais livres são muito promissores.
“A química dos radicais livres é muito útil para a síntese de pequenas moléculas bioativas e polímeros comuns”, disse Yang Yang, professor de química da UC Santa Barbara, autor de um artigo sobre o assunto publicado na Natureza Catálise. “No entanto, a imposição de controle estéreo sobre reações mediadas por radicais livres iludiu a comunidade de catálise assimétrica por décadas. Estamos tentando desenvolver estratégias biocatalíticas para expandir ainda mais os limites da química de radicais livres.”
Para desbloquear totalmente o potencial sintético dos radicais livres, Yang e seus colegas se concentram na estereoquímica – também conhecida como química 3D, que se concentra na orientação tridimensional de átomos e moléculas. A estereoquímica de moléculas orgânicas tem um impacto significativo em suas propriedades. Por exemplo, (S)-carvona ou carvona “canhota” é o principal ingrediente responsável pelo odor característico da menta. Em contraste, (R)-carvona ou carvona “destra” é encontrada em sementes de alcaravia e tem um cheiro completamente diferente. Assim, controlar com precisão a estereoquímica é um dos principais objetivos da química sintética. Para alcançá-lo, os químicos recorreram aos catalisadores, substâncias que possibilitam reações químicas sem serem consumidas ou transformadas no processo, tornando-as reutilizáveis.
Alcançar este tipo de controle estéreo não é pouca coisa. “Em geral, direcionar os radicais livres para a estereoquímica desejada é muito difícil”, disse Yang. Os radicais livres, uma vez formados, não interagem fortemente com o catalisador. Além disso, esses radicais são essencialmente livres em outro sentido – eles podem rapidamente se afastar de possíveis locais reativos.
Mas Yang e seus colaboradores têm alguns truques na manga: metaloenzimas – proteínas naturais com um centro de metal reativo, capazes de gerar e controlar os radicais livres para transformações seletivas.
“Especificamente neste artigo, resolvemos um problema neste campo, que é como controlar a adição estereosseletiva de uma espécie radical a um composto aromático”, disse Yang. “O radical neste caso é derivado do material de partida racêmico.”
É aqui que entra a química tridimensional. “Racêmica” significa que o material é composto de proporções iguais de moléculas “canhotas” e “destras” (também conhecidas como “quirais”) – moléculas assimétricas compostas dos mesmos átomos, portanto são quimicamente idênticas, mas são imagens especulares uma da outra. Assim como suas mãos, você pode combiná-las em termos de reflexão, mas não pode sobrepô-las voltadas para o mesmo lado. O que, em circunstâncias normais, representaria um problema para as enzimas.
“As enzimas são amplamente percebidas como catalisadores muito específicos”, disse Yang. “Se as enzimas são tão específicas, o que acontece frequentemente na natureza, então a enzima só pode reconhecer e converter uma forma enantiomérica de um composto quiral”, disse Yang. “E muitas vezes a enzima não aceita sua imagem espelhada.
“Mas em nosso trabalho”, continuou Yang, “projetamos uma enzima que pode aceitar tanto a forma canhota quanto a destra do material inicial e, em seguida, converter esses materiais iniciais no mesmo produto enantiomérico principal com excelente seletividade”.
Em seu artigo, os pesquisadores usaram uma enzima dependente de ferro para produzir espécies radicais altamente reativas. Por meio da evolução direcionada, eles projetaram um conjunto de enzimas seletivas de ferro para produzir o produto canhoto ou destro com excelente seletividade. Além disso, com uma terceira enzima de “resolução cinética”, os pesquisadores podem converter seletivamente o material de partida canhoto, deixando o material de partida destro intocado.
“Portanto, temos uma caixa de ferramentas de enzimas para permitir vários tipos de estereocontrole para a funcionalização radical de compostos aromáticos”, disse Yang. “E, no entanto, essas enzimas diferem apenas umas das outras por algumas mutações.” Yang espera que essa crescente caixa de ferramentas de biocatalisadores ajude outras pessoas a obter melhor controle sobre sua química 3D, um problema clássico que continua a enfrentar os químicos orgânicos.
“Nossas metaloenzimas fornecem uma solução potencialmente geral para controlar a seletividade dos radicais livres”, disse Yang. “Assim, esperamos que essas soluções biocatalíticas que criamos facilitem a síntese e o estudo de compostos quirais na academia e na indústria.”
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