Animadversiones de un Catedrático, Químico Sintético- Por James Tour, Rice University

Figura 1a. Nanotruck - NanoCamion 1a. Cortesia de James Tour, Organic Chemist. Rice University.
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Este documento y estudio fué producido por el Dr. James Tour de Rice University en los EE.UU.   (To see the English Version of this article, please go to this link.)

Dr. Tour es un químico orgánico con cátedra en Rice University y con mas de 660 publicaciones en matérias de química aritificial y nano technología.

Su documento comienza con esta pregunta ?

¿Por qué todos aquí están mintiendo?

– Fyodor Dostoevsky

La vida requiere carbohidratos, ácidos nucleicos, lípidos y proteínas. ¿Cuál es la química detrás de su origen?

Los biólogos parecen pensar que existen mecanismos moleculares prebióticos bien entendidos para su síntesis. Han sido groseramente mal informados.

Y no es de extrañar: pocos biólogos han sintetizado alguna vez una molécula compleja ab initio. Si necesitan una molécula, compran kits de síntesis molecular, que, por supuesto, están diseñados por químicos sintéticos y que cuentan con protocolos simplistas.

Polisacáridos? ¿Su origen?

Los químicos sintéticos no tienen un camino muy ámplio ni confiable. Los biólogos no tienen ni idea.

Como Hacer moléculas ?

Las estructuras de las máquinas moleculares con ruedas de fullereno desarrolladas en el presente estudio. Figura 1a. Estructuras moleculares de las máquinas moleculares. Nanocar 4a solo gira sobre el eje; no se traduce como lo hace nanocar 3b, y la diferencia entre los dos justifica la rotación de la rueda. Como se muestra en la Figura 1a, los nanotrucks y nanocars consisten en tres partes mecánicas moleculares básicas: ruedas fullerene, un chasis hecho de anillos aromáticos fusionados u oligo (phenylene ethynylene) s (OPE) y ejes alquinílicos. Las bahías de carga potenciales de los nanotrucks 1a y 1b se basan en enlaces de carbono a átomos de nitrógeno. No es así en los nanocars 3a y 3b.
Las estructuras de las máquinas moleculares con ruedas de fullereno desarrolladas en el presente estudio.
Figura 1a. Estructuras moleculares de las máquinas moleculares.
Nanocar 4a solo gira sobre el eje; no se traduce como lo hace nanocar 3b, y la diferencia entre los dos justifica la rotación de la rueda.
Como se muestra en la Figura 1a, los nanotrucks y nanocars consisten en tres partes mecánicas moleculares básicas: ruedas fullerene, un chasis hecho de anillos aromáticos fusionados u oligo (phenylene ethynylene) s (OPE) y ejes alquinílicos. Las bahías de carga potenciales de los nanotrucks 1a y 1b se basan en enlaces de carbono a átomos de nitrógeno. No es así en los nanocars 3a y 3b.

Los químicos estudian las moléculas.

Los hacen los químicos sintéticos. Lo que hace la naturaleza es una incógnita. Las moléculas que hacemos están hechas para realizar ciertas funciones. El diseño inicial es importante.

A veces, los diseños moleculares son asistidos por computadora, pero la mayoría de las veces, los pasos iniciales se realizan en papel.

Un objetivo debe ser primero dibujado o designado de otro modo.

Esta no es una tarea trivial. En algunos casos, los químicos han visto el objetivo en un sistema relacionado; en otros casos, adivinan las propiedades del objetivo sobre la base de su peso molecular, su forma, sus sumandos y sus capacidades funcionales.

Este es solo el comienzo.

Una vez que se selecciona un objetivo, la siguiente es la retrosíntesis, ya sea en papel o en la pantalla de una computadora. Colocando el objetivo en la parte superior, el químico dibuja un árbol invertido (o gráfico), un paso a la vez, en múltiples puntos de ramificación, hasta que alcanza un nivel donde los materiales de partida están a mano.

El árbol de decisión es luego podado. Ciertas ramas conducen a callejones sin salida. Ellas son cortadas y eliminadas. Un mayor refinamiento de varias rutas conduce a un conjunto de caminos deseados; estas son las rutas que pueden intentarse en el laboratorio.

¿Por qué el enfoque retrosintético de las moléculas complejas? Es porque encontrar un camino directo a un objetivo es demasiado complicado. Los callejones sin salida están en todas partes los productos muertos se acumulan masivamente; y, entre los callejones sin salida y los productos muertos, los materiales de partida preciosos tienden a agotarse.

No hay objetivos en la evolución. La naturaleza no realiza análisis retrosintéticos.

Dado un objetivo y un camino para llegar allí, el químico sintético ahora debe probar una serie de permutaciones químicas. Cada paso puede necesitar optimizarse, y cada paso debe considerarse con respecto a las modificaciones específicas del sitio de reacción y las diferentes velocidades de reacción.

Lo que se desea a menudo es ligeramente diferente en estructura de lo que no es. Si el Producto A es una imagen especular del Producto B, la separación se convierte en una tarea que requiere mucho tiempo y es desafiante, y que requiere estructuras complementarias de imagen especular. Muchas moléculas en sistemas biológicos naturales son homoquirales. Sus imágenes espejo no pueden hacer su trabajo.

Pocas reacciones producen alguna vez un rendimiento del cien por ciento; pocas reacciones están libres de subproductos nocivos. La purificación es esencial. Si los subproductos se dejan en reacción, resultan en mezclas complejas que hacen que las reacciones posteriores sean imposibles de ejecutar correctamente.

Después de la purificación, se deben usar varios métodos espectroscópicos y espectrométricos diferentes para confirmar las estructuras moleculares resultantes.

Haga el intermediario molecular equivocado, y el químico sintético aprende rápidamente y todos los pasos posteriores se ven comprometidos (Y no válen para náda).

Los productos intermedios a menudo son inestables en el aire, la luz solar o la luz de la habitación, o en el agua. Los químicos sintéticos funcionan en segundos o minutos.

Es este laborioso trabajo de trinchera que separa a los hombres de los niños……

Entonces en qué quedámos

El estado actual

Aquellos que piensan que los científicos entienden los problemas de la química prebiótica están completamente desinformados.

Nadie los entiende Tal vez algún día lo hagamos. Pero ese día está lejos de hoy.

Sería mucho más útil (y esperanzador) exponer a los estudiantes a las lagunas masivas en nuestro entendimiento. Pueden encontrar una teoría científica más firme, y posiblemente radicalmente diferente.

La base sobre la que confiamos los científicos es tan inestable que debemos declarar abiertamente la situación por lo que es: es un misterio.

Fuente

Todas las itálicas y acentos bold, negros son nuéstros.

https://inference-review.com/article/animadversions-of-a-synthetic-chemist

All Publications

Referencias

Images reprinted with permission from the American Chemical Society.

  1. Kyriacos Nicolaou and Tamsyn Montagnon, Molecules That Changed the World (New York: Wiley-VCH, 2008). ↩
  2. Elias Corey and Xue-Min Cheng, The Logic of Chemical Synthesis (New York: Wiley-Interscience, 1995). ↩
  3. See Yasuhiro Shirai et al., “Surface-Rolling Molecules,” Journal of the American Chemical Society 128, no. 14 (2006): 4,854–64.; Pinn-Tsong Chiang et al., “Toward a Light-Driven Motorized Nanocar: Synthesis and Initial Imaging of Single Molecules,” ACS Nano 6, no. 1 (2012): 592–97; Jean-François Morin, Yasuhiro Shirai, and James Tour, “En Route to a Motorized Nanocar,” Organic Letters 8, no. 8 (2006): 1,713–16. ↩
  4. Yasuhiro Shirai et al., “Surface-Rolling Molecules,” Journal of the American Chemical Society 128, no. 14 (2006): 4,855. ↩
  5. Single-molecule-sized nanoscale machines with controlled mechanical motion had already yielded a variety of molecular machines resembling macroscopic motors, switches, shuttles, turnstiles, gears, bearings, and elevators; but these nanomachines were operated and observed spectroscopically as ensembles of molecules in solution or solid state. Some examples in which a molecule has a mechanical design and the mechanism of movement can be probed at the single molecular level are cyclodextrin necklaces, altitudinal molecular rotors, molecular barrows, molecular landers, and nanowalkers. The nanocars have taken this study to a more complex level in the study of motion at the single molecule level.See Raymond Astumian, “Making Molecules into Motors,” Scientific American (2001): 57–64; Wesley Browne and Ben Feringa, “Making Molecular Machines Work,” Nature Nanotechnology 1 (2006): 25–35; John Abendroth et al., “Controlling Motion at the Nanoscale: Rise of the Molecular Machines,” ACS Nano 9, no. 8 (2015), 9, 7,746–68; Vincenzo Balzani, Alberto Credi and Margherita Venturi, “Molecular Machines Working on Surfaces and at Interfaces,” ChemPhysChem 9, no. 2 (2008): 202–20; Euan Kay and David Leigh, “Rise of Molecular Machines,” Angewandte Chemie International Edition 54, no. 35 (2015): 10,080–88. ↩
  6. On the topic of molecular orbital theory, see: Marc Henry, “The Hydrogen Bond,” Inference: International Review of Science 1, no. 2 (2015). ↩
  7. Yasuhiro Shirai et al., “Surface-Rolling Molecules,” Journal of the American Chemical Society 128, no. 14 (2006): 4,856. ↩
  8. Yasuhiro Shirai et al., “Surface-Rolling Molecules,” Journal of the American Chemical Society 128, no. 14 (2006): 4,857. ↩
  9. Yasuhiro Shirai et al., “Surface-Rolling Molecules,” Journal of the American Chemical Society 128, no. 14 (2006): 4,857. ↩
  10. Yasuhiro Shirai et al., “Surface-Rolling Molecules,” Journal of the American Chemical Society 128, no. 14 (2006): 4,858. ↩
  11. Yasuhiro Shirai et al., “Surface-Rolling Molecules,” Journal of the American Chemical Society 128, no. 14 (2006): 4,860. ↩
  12. Yasuhiro Shirai et al., “Surface-Rolling Molecules,” Journal of the American Chemical Society 128, no. 14 (2006): 4,860. ↩
  13. Yasuhiro Shirai et al., “Surface-Rolling Molecules,” Journal of the American Chemical Society 128, no. 14 (2006): 4,859. ↩
  14. Yasuhiro Shirai et al., “Surface-Rolling Molecules,” Journal of the American Chemical Society 128, no. 14 (2006): 4,861. ↩
  15. Yasuhiro Shirai et al., “Surface-Rolling Molecules,” Journal of the American Chemical Society 128, no. 14 (2006): 4,854–64. ↩
  16. Yasuhiro Shirai et al., “Surface-Rolling Molecules,” Journal of the American Chemical Society 128, no. 14 (2006): 4,854–64. ↩
  17. See Pinn-Tsong Chiang et al., “Toward a Light-Driven Motorized Nanocar: Synthesis and Initial Imaging of Single Molecules,” ACS Nano 6, no. 1 (2012): 592–97; Jean-François Morin, Yasuhiro Shirai, and James Tour, “En Route to a Motorized Nanocar,” Organic Letters 8, no. 8 (2006): 1,713–16; Raymond Astumian, “Making Molecules into Motors,” Scientific American (2001): 57–64; Wesley Browne and Ben Feringa, “Making Molecular Machines Work,” Nature Nanotechnology 1 (2006): 25–35; John Abendroth et al., “Controlling Motion at the Nanoscale: Rise of the Molecular Machines,” ACS Nano 9, no. 8 (2015), 9, 7,746–68; Vincenzo Balzani, Alberto Credi, and Margherita Venturi, “Molecular Machines Working on Surfaces and at Interfaces,” ChemPhysChem 9, no. 2 (2008): 202–20; Euan Kay and David Leigh, “Rise of Molecular Machines,” Angewandte Chemie International Edition 54, no. 35 (2015): 10,080–88; Guillaume Vives and James Tour, “Synthesis of Single-Molecule Nanocars,” Accounts of Chemical Research 42, no. 3 (2009): 473–87. ↩
  18. Pinn-Tsong Chiang et al., “Toward a Light-Driven Motorized Nanocar: Synthesis and Initial Imaging of Single Molecules,” ACS Nano 6, no. 1 (2012): 592–97; Jean-François Morin, Yasuhiro Shirai, and James Tour, “En Route to a Motorized Nanocar,” Organic Letters 8, no. 8 (2006): 1,713–16. ↩
  19. See Pinn-Tsong Chiang et al., “Toward a Light-Driven Motorized Nanocar: Synthesis and Initial Imaging of Single Molecules,” ACS Nano 6, no. 1 (2012): 592–97; Jean-François Morin, Yasuhiro Shirai, and James Tour, “En Route to a Motorized Nanocar,” Organic Letters 8, no. 8 (2006): 1,713–16. ↩
  20. See Jean-François Morin, Yasuhiro Shirai, and James Tour, “En Route to a Motorized Nanocar,” Organic Letters 8, no. 8 (2006): 1713; Pinn-Tsong Chiang et al., “Toward a Light-Driven Motorized Nanocar: Synthesis and Initial Imaging of Single Molecules,” ACS Nano 6, no. 1 (2012): 593. ↩
  21. Pinn-Tsong Chiang et al., “Toward a Light-Driven Motorized Nanocar: Synthesis and Initial Imaging of Single Molecules,” ACS Nano 6, no. 1 (2012): 593. ↩
  22. Pinn-Tsong Chiang et al., “Toward a Light-Driven Motorized Nanocar: Synthesis and Initial Imaging of Single Molecules,” ACS Nano 6, no. 1 (2012): 594. ↩
  23. See Pinn-Tsong Chiang et al., “Toward a Light-Driven Motorized Nanocar: Synthesis and Initial Imaging of Single Molecules,” ACS Nano 6, no. 1 (2012): 592–97; Jean-François Morin, Yasuhiro Shirai, and James Tour, “En Route to a Motorized Nanocar,” Organic Letters 8, no. 8 (2006): 1,713–16. ↩
  24. Pinn-Tsong Chiang et al., “Toward a Light-Driven Motorized Nanocar: Synthesis and Initial Imaging of Single Molecules,” ACS Nano 6, no. 1 (2012): 594. ↩
  25. Wesley Browne and Ben Feringa, “Making Molecular Machines Work,” Nature Nanotechnology 1 (2006): 25–35. ↩
  26. Guillaume Vives et al., “Molecular Machinery: Synthesis of a ‘Nanodragster’,” Organic Letters 11, no. 24 (2009): 5,602–605. ↩
  27. Guillaume Vives et al., “Molecular Machinery: Synthesis of a ‘Nanodragster’,” Organic Letters 11, no. 24 (2009): 5,602–605. ↩
  28. See Pin-Lei Chu, et al., “Synthesis and Single-Molecule Imaging of Highly Mobile Adamantane-Wheeled Nanocars,” ACS Nano 7, no. 1 (2013): 35–41; Saumyakanti Khatua et al., “Influence of the Substrate on the Mobility of Individual Nanocars,” Journal of Physical Chemistry Letters 1, no. 22 (2010): 3,288–91; Guillaume Vives et al., “Synthesis of Fluorescent Dye-Tagged Nanomachines for Single-Molecule Fluorescence Spectroscopy,” Journal of Organic Chemistry 75, no. 19 (2010): 6,631–43; Kevin Claytor et al., “Accurately Determining Single Molecule Trajectories of Molecular Motion on Surfaces,” Journal of Chemical Physics 130, no. 16 (2009), doi:10.1063/1.3118982. ↩
  29. Peter Decker, Horst Schweer, and Rosmarie Pohlmann, “Bioids: X. Identification of Formose Sugars, Presumable Prebiotic Metabolites, Using Capillary Gas Chromatography/Gas Chromatography—mas Spectrometry of n-butoxime Trifluoroacetates on OV-225,” Journal of Chromatography A 244, no. 2 (1982): 281–91. ↩
  30. See Albert Eschenmoser and Eli Loewenthal, “Chemistry of Potentially Prebiotic Natural Products,” Chemical Society Reviews 21 (1992): 1–16; Albert Eschenmoser, “Etiology of Potentially Primordial Biomolecular Structures: From Vitamin B12 to the Nucleic Acids and an Inquiry into the Chemistry of Life’s Origin: A Retrospective,” Angewandte Chemie International Edition 50, no. 52 (2011): 12,412–72. ↩
  31. Albert Eschenmoser, “Etiology of Potentially Primordial Biomolecular Structures: From Vitamin B12 to the Nucleic Acids and an Inquiry into the Chemistry of Life’s Origin: A Retrospective,” Angewandte Chemie International Edition 50, no. 52 (2011): 12,412–72. ↩
  32. Albert Eschenmoser, “Etiology of Potentially Primordial Biomolecular Structures: From Vitamin B12 to the Nucleic Acids and an Inquiry into the Chemistry of Life’s Origin: A Retrospective,” Angewandte Chemie International Edition 50, no. 52 (2011): 12,412–72. ↩
  33. Albert Eschenmoser, “Etiology of Potentially Primordial Biomolecular Structures: From Vitamin B12 to the Nucleic Acids and an Inquiry into the Chemistry of Life’s Origin: A Retrospective,” Angewandte Chemie International Edition 50, no. 52 (2011): 12,424. ↩
  34. Albert Eschenmoser, “Etiology of Potentially Primordial Biomolecular Structures: From Vitamin B12 to the Nucleic Acids and an Inquiry into the Chemistry of Life’s Origin: A Retrospective,” Angewandte Chemie International Edition 50, no. 52 (2011): 12,424. ↩
  35. Albert Eschenmoser, “Etiology of Potentially Primordial Biomolecular Structures: From Vitamin B12 to the Nucleic Acids and an Inquiry into the Chemistry of Life’s Origin: A Retrospective,” Angewandte Chemie International Edition 50, no. 52 (2011): 12,428. ↩
  36. Albert Eschenmoser, “Etiology of Potentially Primordial Biomolecular Structures: From Vitamin B12 to the Nucleic Acids and an Inquiry into the Chemistry of Life’s Origin: A Retrospective,” Angewandte Chemie International Edition 50, no. 52 (2011): 12,427. ↩
  37. Albert Eschenmoser, “Etiology of Potentially Primordial Biomolecular Structures: From Vitamin B12 to the Nucleic Acids and an Inquiry into the Chemistry of Life’s Origin: A Retrospective,” Angewandte Chemie International Edition 50, no. 52 (2011): 12,424. ↩
  38. Stefan Pitsch et al., “Mineral Induced Formation of Sugar Phosphates,” Origins of Life and Evolution of the Biosphere 25, no. 4 (1995): 297–334. ↩
  39. Michael Robertson and Gerald Joyce, “The Origins of the RNA World,” Cold Spring Harbor Perspectives in Biology (2010), doi:10.1101/cshperspect.a003608. ↩
  40. See William Fuller, Robert Sanchez, and Leslie Orgel, “Studies in Prebiotic Synthesis. VI. Synthesis of Purine Nucleosides,” Journal of Molecular Biology 67, no. 1 (1972): 25–33; Leslie Orgel, “Prebiotic Chemistry and the Origin of the RNA World,” Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology 39, no. 2 (2004): 99–123. ↩
  41. Matthew Powner, Béatrice Gerland, and John Sutherland, “Synthesis of Activated Pyrimidine Ribonucleotides in Prebiotically Plausible Conditions,” Nature 459 (2009): 239–42. ↩
  42. Matthew Powner, Béatrice Gerland, and John Sutherland, “Synthesis of Activated Pyrimidine Ribonucleotides in Prebiotically Plausible Conditions,” Nature 459 (2009): 242. ↩
  43. Bhavesh Patel et al., “Common Origins of RNA, Protein and Lipid Precursors in a Cyanosulfidic Protometabolism,” Nature Chemistry 7 (2015): 301. ↩
  44. Bhavesh Patel et al., “Common Origins of RNA, Protein and Lipid Precursors in a Cyanosulfidic Protometabolism,” Nature Chemistry 7 (2015): 301. ↩
  45. Bhavesh Patel et al., “Common Origins of RNA, Protein and Lipid Precursors in a Cyanosulfidic Protometabolism,” Nature Chemistry 7 (2015): 301. ↩
  46. Bhavesh Patel et al., “Common Origins of RNA, Protein and Lipid Precursors in a Cyanosulfidic Protometabolism,” Nature Chemistry 7 (2015): 301. ↩