I ricercatori della Carnegie Mellon University hanno utilizzato la spettroscopia vibrazionale di risonanza nucleare per sondare i legami idrogeno che modulano la reattività chimica degli enzimi, catalizzatori e complessi biomimetici. La tecnica potrebbe portare allo sviluppo di catalizzatori migliori da utilizzare in un'ampia gamma di campi. I risultati sono stati pubblicati come "Very Important Paper" nel numero del 3 dicembre di Angewandte Chemie e presenti sulla quarta di copertina del diario.

I legami idrogeno sono tra le interazioni più fondamentali che si trovano in biologia e chimica. Sono responsabili di molte delle proprietà chimicamente importanti dell'acqua, per la stabilizzazione delle strutture di proteine ​​e acidi nucleici, compresi quelli che si trovano nel DNA e nell'RNA, e contribuiscono alla struttura dei polimeri naturali e sintetici.

La ricerca ha dimostrato che i legami idrogeno svolgono un ruolo importante nella regolazione della reattività dei centri metallici dei metalloenzimi e dei catalizzatori contenenti metalli. Però, sono state fatte poche ricerche per dimostrare sperimentalmente come i cambiamenti sistematici ai legami idrogeno all'interno della sfera di coordinazione secondaria - molecole trovate nelle vicinanze di centri metallici che non hanno interazioni dirette di legame con il centro - influenzano l'attività catalitica.

Nella catalisi, enzimi o catalizzatori sintetici stimolano una catena di reazioni chimiche, che producono una serie di strutture o specie intermedie. Comprendere queste strutture e le loro proprietà chimiche è la chiave per comprendere l'intera reazione.

"Comprendere a fondo la reattività chimica dell'intermedio reattivo è un passo fondamentale per determinare come progettare catalizzatori altamente efficienti e selettivi per la funzionalizzazione C-H, " disse Yisong Guo, assistente professore di chimica alla Carnegie Mellon e autore principale dello studio. "Nel caso degli enzimi attivatori di ossigeno, gli intermedi chiave della catalisi sono le specie ferro-osso (Fe-O) e ferro-idrossido (Fe-OH), che sono coinvolti in importanti processi biologici, come la biosintesi del DNA, riparazione del DNA e dell'RNA, modificazione post-traduzionale delle proteine, biosintesi di antibiotici e degradazione di composti tossici".

Guo e colleghi hanno utilizzato la spettroscopia vibrazionale di risonanza nucleare 57Fe (NRVS), una tecnica basata sulla radiazione di sincrotrone di nuova concezione, rilevare la frequenza vibrazionale delle unità Fe-O e Fe-OH di complessi sintetici che interagiscono con la sfera di coordinazione secondaria attraverso legami idrogeno. I cambiamenti nelle frequenze hanno rivelato informazioni preziose sulla forza del legame di queste unità e hanno inoltre fornito una misura qualitativa della forza del legame idrogeno.

"Questo ha dimostrato che la NRVS è una tecnica sensibile per rilevare cambiamenti molto piccoli nella forza del legame idrogeno, fino alle variazioni di un singolo legame idrogeno. Questo ci fornisce un nuovo metodo per collegare i cambiamenti nella forza di legame delle unità Fe-O e Fe-OH alla loro reattività chimica, " disse Guo.

Guo afferma che questo studio è una prova di concetto per l'utilizzo di NRVS per sondare i legami idrogeno. Ha in programma di continuare a utilizzare questo metodo per studiare più specie ferro-osso e ferro-idrossido sia nei complessi sintetici che negli enzimi per accumulare la quantità di dati disponibili per correlare la reattività chimica di queste specie con i cambiamenti delle interazioni del legame idrogeno, con la speranza che tali informazioni possano essere utilizzate per sviluppare catalizzatori più efficienti ed efficaci.