El ultrasonido y un catalizador elaborado con plantas aceleran la síntesis de quinolina

Un equipo de químicos ha desarrollado un método rápido, basado en agua, para fabricar ocho compuestos de quinolina-cromeno no descritos previamente, según informa ScienMag. El proceso utiliza ultrasonido y un nanocatalizador reciclable preparado con ayuda de la petasita, una planta medicinal.

La reacción produjo las moléculas objetivo en 15 minutos a 25 grados Celsius, con rendimientos de entre el 93 y el 97 por ciento. El trabajo fue descrito en el Journal of Saudi Chemical Society por Shahrzad Abdolmohammadi, de la Islamic Azad University de Teherán, y colaboradores de Azerbaiyán, Jordania y la India.

El resultado aborda un desafío persistente de la química medicinal: construir moléculas complejas de forma eficiente y, al mismo tiempo, reducir el uso de disolventes peligrosos, el consumo de energía y los residuos químicos. El nuevo método combina un medio de reacción acuoso, energía acústica y un catalizador elaborado con cobre, óxido de zinc y óxido de grafeno.

Una reacción en tres partes en agua

Los compuestos pertenecen a la familia de la [1]benzopirano[b]dioxolo[g]quinolina. Sus estructuras reúnen tres tipos de sistemas de anillos: un benzopirano, también conocido como cromeno; un dioxol; y una quinolina. Estos esqueletos son importantes en la investigación farmacológica porque se ha relacionado a moléculas similares con efectos antibacterianos, antivirales, antitumorales y antiproliferativos.

Para fabricar los nuevos compuestos, los investigadores combinaron 4-hidroxicumarina, distintos aldehídos aromáticos y 3,4-(metilendioxi)anilina. La mezcla se colocó en agua y se expuso a ultrasonido de 80 vatios en presencia de una pequeña cantidad de Cu/ZnO@GO, un catalizador compuesto en el que partículas de óxido de zinc dopadas con cobre están unidas a óxido de grafeno.

El catalizador y el ultrasonido funcionaron mucho mejor juntos que cualquiera de los dos componentes por separado. Sin catalizador, la reacción produjo un rendimiento del 20 por ciento después de 300 minutos a reflujo. El ultrasonido sin el nanocompuesto produjo un 48 por ciento en 15 minutos. Sin embargo, en las condiciones seleccionadas, el sistema combinado alcanzó un rendimiento máximo del 97 por ciento utilizando 0,05 gramos de catalizador en 3 mililitros de agua.

Los investigadores también probaron etanol, diclorometano, acetonitrilo y dimetilformamida. Ninguno funcionó tan bien como el agua. Se evaluaron varios catalizadores más, pero no igualaron los resultados del nanocompuesto.

El ultrasonido ayuda al crear y hacer colapsar diminutas burbujas en el líquido. Este proceso, conocido como cavitación acústica, genera breves zonas de alta temperatura y presión, lo que mejora el contacto entre los reactivos y el catalizador sólido. Aunque estas condiciones son intensas a escala microscópica, la propia mezcla de reacción permanece a temperatura ambiente, por lo que no es necesario calentar todo el recipiente.

Un catalizador producido con extracto de petasita

La preparación del catalizador también se diseñó en torno a una química menos peligrosa. El equipo fabricó las nanopartículas de óxido de zinc y las que contenían cobre utilizando un extracto acuoso de Petasites hybridus, conocido comúnmente como petasita. El rizoma seco y pulverizado de la planta se dejó en infusión en agua desionizada hirviendo, y el extracto resultante ayudó a reducir y estabilizar las nanopartículas en formación.

El acetato de zinc y el cloruro de cobre aportaron los componentes metálicos. Después, las partículas se combinaron con óxido de grafeno mediante otra etapa de crecimiento asistida por extracto vegetal. El óxido de grafeno sirve como soporte porque ofrece una gran superficie, estabilidad química y térmica y un coste relativamente bajo. Anclar las partículas que contienen metales a ese soporte ayuda a mantener disperso el material activo.

Una serie de técnicas analíticas confirmó la composición y la estructura del compuesto. Las mediciones infrarrojas identificaron enlaces de zinc-oxígeno y cobre-oxígeno. La difracción de rayos X detectó la forma hexagonal de wurtzita del óxido de zinc, así como señales relacionadas con el cobre. La microscopía electrónica mostró partículas aproximadamente esféricas unidas al óxido de grafeno, mientras que el análisis elemental confirmó los componentes previstos.

El catalizador también podía recuperarse después de su uso. Los investigadores lo separaron mediante centrifugación, lo lavaron con etanol y lo secaron antes de devolverlo a otra reacción. Mantuvo su actividad durante al menos cuatro ciclos sin una disminución sustancial del rendimiento, lo que sugiere que su uso repetido podría ayudar a limitar tanto el consumo de materiales como el coste.

Actividad antioxidante entre las nuevas moléculas

Los investigadores propusieron que la reacción se desarrolla mediante varios pasos enlazados. Primero, el catalizador activa el aldehído, que reacciona con el componente de anilina. A continuación, la 4-hidroxicumarina se añade al intermedio resultante, seguida del cierre del anillo, la pérdida de agua y la formación de la estructura final fusionada.

El método toleró aldehídos aromáticos con grupos donadores de electrones, como metoxi, hidroxi y metilo, así como grupos aceptores de electrones, entre ellos bromo, cloro, ciano y nitro. Los aldehídos alifáticos tuvieron menos éxito, aparentemente porque sus puntos de ebullición más bajos les permiten evaporarse durante la sonicación.

Se probaron cuatro productos en un ensayo de eliminación de radicales libres DPPH, que mide la actividad antioxidante mediante un cambio de color registrado a 517 nanómetros. Los investigadores los compararon con los antioxidantes comerciales BHT y TBHQ. El TBHQ tuvo el mejor rendimiento general, mientras que el compuesto 4e, que contiene un grupo hidroxilo en su anillo arilo, mostró una actividad cercana a la del BHT a 1.000 partes por millón.

Las pruebas biológicas no establecen que los compuestos sean medicamentos. Sí indican que esta familia química puede merecer más investigación, especialmente porque el daño oxidativo se ha relacionado con afecciones como la diabetes, el cáncer, la aterosclerosis y la enfermedad de Alzheimer. La principal contribución del estudio es una plataforma de síntesis rápida que combina agua, ultrasonido, preparación de un catalizador asistida por plantas y reutilización del catalizador en un solo proceso.