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Un grupo de investigadores químicos de la Universidad de California (UCLA) sintetizaron moléculas extrañas que existen en tres dimensiones, rompiendo la regla de Bredt y contribuyendo al desarrollo de futuros fármacos.
Las moléculas orgánicas, compuestas principalmente de carbono, se caracterizan por tener formas y disposiciones atómicas específicas. Las moléculas conocidas como olefinas tienen dobles enlaces, o alquenos, entre dos átomos de carbono. Los átomos, y sus enlaces unidos, suelen encontrarse en el mismo plano tridimensional. Las moléculas que se desvían de esta geometría son poco comunes.
En 1924, la regla de Bredt afirmaba de forma problemática que los dobles enlaces, también conocidos como alquenos, no podían existir en ciertas posiciones de las moléculas orgánicas, en concreto en la unión donde se conectan las moléculas bicíclicas. Esta regla fue refutada por el químico de la UCLA Neil Garg y su equipo de investigación casi 100 años después, creando moléculas tridimensionales que no solo rompen la regla, sino que además están unidas por enlaces que no son exactamente simples ni dobles.
“Hay un gran impulso en la industria farmacéutica para desarrollar reacciones químicas que generen estructuras tridimensionales como las nuestras, ya que pueden usarse para descubrir nuevos medicamentos”, afirmó Garg. “Lo que este estudio demuestra es que, contrariamente a lo que se creía durante cien años, los químicos pueden fabricar y utilizar olefinas anti-Bredt para elaborar productos con valor añadido”.
"Se entiende bien que la geometría en cada carbono de un alqueno suele ser trigonal plana", explicó en un estudio publicado recientemente en la revista Nature. "Sin embargo, también es posible desviarse de esta geometría trigonal plana convencional cuando un alqueno se genera en un sistema de anillo confinado".
Las nuevas moléculas creadas por el equipo de Garg —quadricyclene y cubene— se sintetizaron a partir de precursores que incluían grupos sililo (conjuntos de átomos alrededor de un átomo de silicio). Estas sustancias precursoras también requerían grupos salientes, que son conjuntos de átomos que se desprenden de la molécula y se llevan consigo el par de electrones que inicialmente los unía a ella. Al añadir sales de fluoruro a los precursores se formaba cubene o quadricyclene.
La mayoría de las moléculas conectadas por dobles enlaces de alqueno (como el etileno) son planas, pero las moléculas de Garg fuerzan esos dobles enlaces a adoptar una disposición tridimensional. El cubene (sintetizado originalmente en 1964) es un compuesto hidrocarbonado que hace honor a su nombre, ya que se forma con forma de cubo, con un átomo de hidrógeno unido al átomo de carbono situado en cada vértice de ángulo recto del cubo.
El quadricyclene presenta una forma aún más extraña, vagamente parecida al origami. Sintetizado por investigadores de la Universidad de California en Berkeley en 1961, este hidrocarburo es inflamable y puede ser tóxico si se inhala.
Así, ambos compuestos tienen estructuras inusuales que los convierten en candidatos interesantes para el desarrollo de nuevos fármacos, ya que proporcionan un armazón molecular complejo sobre el que diseñar medicamentos. Ambos son alquenos piramidalizados, lo que significa que uno o ambos átomos de carbono de su doble enlace carbono-carbono se desvían del plano definido por los tres átomos unidos a cada carbono.
Lo llamativo de sus dobles enlaces es que su orden de enlace (el número de pares de electrones compartidos) está más cerca de 1,5 que de los dos habituales, debido a que ambas moléculas son tridimensionales. Esta distorsión ha llevado a Garg a describirlos como hiperpiramidalizados.
"Nuestros descubrimientos proporcionan un medio sencillo para acceder a estructuras extraordinariamente complejas con valor potencial para la química medicinal y otras aplicaciones", afirmó, "además de inspirar el diseño futuro y la manipulación estratégica de nuevos intermedios que presenten hiperpiramidalización u órdenes de enlace no enteros en síntesis química".
Los compuestos hiperpiramidalizados tienden a ser inestables. El quadricyclene y el cubene son muy reactivos, y su tendencia a reaccionar con otras moléculas y desaparecer con tanta rapidez ha impedido a los científicos aislarlos u observarlos directamente. Una distorsión tan extrema también provoca propiedades poco habituales en moléculas con enlaces tipo alqueno.
Muchos de sus enlaces son débiles y, al ser moléculas muy tensionadas, sus estructuras químicas están sometidas a estrés porque se ven obligadas a adoptar estados que se alejan de la disposición plana bidimensional ideal de los alquenos. Ese alto nivel de tensión eleva su energía interna, ya que necesitan más energía para existir en un estado tan forzado.
Tras haber puesto en cuestión ya dos reglas de la química orgánica, Garg planea seguir estudiando estas moléculas y sus posibles aplicaciones, especialmente lo que podrían aportar a la industria farmacéutica. Puede que aún queden más reglas por romper.
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