1
1
TECNOCIENCIA CHIHUAHUA, Vol. XV (3) e 855 (2021)
https://vocero.uach.mx/index.php/tecnociencia
ISSN-e: 2683-3360
Artículo de Revisión
Compuestos organometálicos y de coordinación: Más
que sólo una buena relación de metales de transición
y moléculas orgánicas
Organometallic and coordination compounds: More than just a happy
relationship between transition metals and organic molecules
*Correspondencia: damor@unam.mx (David Morales-Morales)
DOI: https://doi.org/10.54167/tecnociencia.v15i3.855
Recibido: 22 de septiembre de 2021; Aceptado: 03 de noviembre de 2021
Publicado por la Universidad Autónoma de Chihuahua, a través de la Dirección de Investigación y Posgrado.
Resumen
La química organometálica y de coordinación ha sido la inspiración de muchos científicos alrededor
del mundo durante décadas, debido a que las aplicaciones en las que los compuestos organometálicos
y de coordinación han encontrado cabida, es diversa y estimulante, tal es el caso de la catálisis, en la
síntesis de metalodrogas o en la activación de moléculas pequeñas como CO2, H2, CH4 y N2. La síntesis
de estos compuestos per se es interesante y el estudio de su reactividad ha permitido el desarrollo de
procesos más eficientes y selectivos que permiten que nuestra vida cotidiana sea, no solamente más
cómoda y duradera, sino más amigable con el medio ambiente. En este artículo de revisión se
presenta un panorama general de los avances que se han tenido a partir de la síntesis de los primeros
compuestos inorgánicos hasta nuestros días y que han permitido el nacimiento de una plétora de
subáreas que siguen siendo motivación para nosotros y para muchos grupos de investigación en el
mundo. De igual manera se presentan las perspectivas a las que estas investigaciones de la química
organometálica y de coordinación apuntan a futuro.
Palabras clave: química organometálica, química de coordinación, catálisis, química
bioinorgánica, química de materiales, química medicinal.
Abstract
Organometallic and coordination chemistry has been the inspiration of many scientist around the
world for decades due to the applications in which organometallic and coordination compounds
have found use being this diverse and stimulating. For example, in catalysis, for the synthesis of
metalodrugs or in the activation of small molecules such as CO2, H2, CH4 and N2. The synthesis of
these compounds per se is interesting and the study of their reactivity has allowed the development
Rebeca Nayely Osorio-Yáñez1 y David Morales-Morales1*
1 Instituto de Química, Universidad Nacional Autónoma de México. Coyoacán, 04510, Ciudad de México,
México.
2
Osorio-Yáñez R. N. & Morales-Morales D
TECNOCIENCIA CHIHUAHUA, Vol. XV (3) e 855 (2021)
of more efficient and selective processes which permit our daily life to be, not only, more comfortable
and lasting but also, more environmentally-friendly. Thus in this review, we present a general
overview of the advances achieved since the synthesis of the first inorganic compounds until our
days, that have permitted the birth of a plethora of subareas that represent a motivation for us and
many research groups around the world. Furthermore, we present future perspectives with the goal
this to serve as catalysts for the reader to follow the stimulant path of the study of organometallic
and coordination chemistry.
Keywords: organometallic chemistry, coordination chemistry, catalysis, bioinorganic chemistry,
materials sciences.
Introducción
La química inorgánica es hoy en día una de las disciplinas más importantes en la investigación
científica en todo el mundo pues promueve, a diferencia de la química orgánica, el estudio de toda
la tabla periódica, sus tendencias e interacciones. Es de esperarse que, debido a que la química
inorgánica estudia una enorme cantidad de propiedades y reactividades entre los elementos
químicos, haya sido necesario el desarrollo de subáreas dedicadas específicamente a cada una de las
interacciones de los metales con diferentes moléculas orgánicas. De manera general, estas áreas
pueden dividirse en química de coordinación, química organometálica y bioorganometálica, las
cuales a su vez se han dividido en más categorías. Este hecho se ve reflejado en la publicación
mensual de miles de artículos científicos en revistas de alto impacto que han permitido el lanzamiento
de revistas cada vez más específicas, tal es el caso de Organometallics, ACS Catalysis, Journal of Applied
Organometallic Chemistry, Journal of the Biological Inorganic Chemistry, Green Chemistry entre muchas
otras. El inicio de la química de coordinación puede atribuirse a los estudios de dos científicos
prominentes, Alfred Werner en Suiza y Sophus Mads Jørgensen en Dinamarca, los cuales tenían dos
diferentes teorías para explicar las interacciones de los metales con las moléculas orgánicas. Werner
postuló la teoría de coordinación (Werner, 1899) mientras Jørgensen defendía la teoría de cadena
propuesta por Blumstrand (Jörgensen, 1899). A pesar de que el último tenía más tiempo estudiando
los enlaces químicos que involucraban a los metales de transición, su teoría era errónea y lo aceptó
finalmente mediante la publicación de sus resultados en la síntesis de [Ir(NH3)3Cl3] los cuáles
demostraban la veracidad de la teoría de coordinación. Dicha teoría llevó a Werner a ganar el Premio
Nobel de Química en 1913. A partir de ese momento, la cantidad de publicaciones relacionadas con
la química de coordinación incrementó exponencialmente demostrando el entusiasmo de la
comunidad por entender la naturaleza de la nueva disciplina. Aproximadamente 40 años después,
alrededor de 1950, se publicó la síntesis del ferroceno (Kealy y Pauson, 1951) con lo que, de acuerdo
con muchos, se inició el estudio de la química organometálica. La diferencia entre los compuestos de
coordinación y los compuestos organometálicos es que los últimos se caracterizan por tener al menos
un enlace M–C (Fig. 1). Durante los 70 años que han transcurrido a partir de esa publicación, se ha
observado el nacimiento de diferentes tecnologías que han permitido continuar con la síntesis de
compuestos organometálicos y de coordinación, por ejemplo, el desarrollo de técnicas
espectrométricas (espectrometría de masas) y espectroscópicas (Resononancia Magnética Nuclear,
Espectroscopía infrarroja, Espectroscopía de UV-visible) o el uso de la técnica Schlenk (para la cual,
tan solo el año pasado se publicó un manual de supervivencia) para la síntesis de compuestos
sensibles al aire y al agua (Borys, 2020). En un inicio, la mayoría de los compuestos organometálicos
eran sensibles a las condiciones atmósfericas normales, sin embargo hoy en día, se incentiva la síntesis
3
Osorio-Yáñez R. N. & Morales-Morales D
de compuestos inorgánicos que permitan su manipulación en una atmósfera que no necesariamente
sea libre de oxígeno y agua (Marion et al., 2017). Para una mayor cobertura sobre el inicio de la
química inorgánica y sus alcances recomendamos leer la historia de su nacimiento, explicada desde
sus inicios y palabras de dos de los investigadores contemporáneos que vivieron desde muy
temprano con esta gran disciplina: Werner Helmut y Fred Basolo (Basolo, 2002).
Figura 1. a) Primeros compuestos de coordinación: cis- y trans-[Co(NH3)4Cl2]+ y primer compuesto
organometálico: ferroceno (Kealy y Pauson, 1951). b) Co(acacen)L (Crumbliss y Basolo, 1969).
Figure 1. a) First coordination compounds synthesized: cis- and trans-[Co(NH3)4Cl2]+ and organometallic:
ferrocene (Kealy y Pauson, 1951).. b) Co(acacen)L. (Crumbliss y Basolo, 1969).
Existe un interés latente en seguir explorando estas subáreas y se ha visto el desarrollo de una
disciplina que tiene todavía mucho que ofrecer. Actualmente, existen diferentes aplicaciones en las
que los compuestos de coordinación y organometálicos han encontrado uso. Dichas aplicaciones van
desde el diseño de catalizadores para la síntesis orgánica, la síntesis de materiales o el estudio del
mecanismo catalítico de los catalizadores biológicos: las metaloenzimas. Así mismo, los químicos
inorgánicos, tienen un interés creciente en realizar procesos que no sean tan dañinos con el medio
ambiente e incluso se investigan procesos que intenten revertir los efectos del cambio climático. A
continuación, se mencionan las aplicaciones más importantes de esta disciplina.
Aplicaciones de los compuestos organometálicos y de coordinación
La diversidad estructural de los metales de transición, que es considerablemente mayor en
comparación con la del carbono, ha permitido el desarrollo de una gran cantidad de aplicaciones por
ejemplo, en medicina o en la fabricación de materiales, funcionales. En medicina, la investigación y
síntesis de compuestos organometálicos y de coordinación para el tratamiento y longevidad de
pacientes con enfermedades crónicas como el cáncer es sobresaliente. Así mismo, se resalta la
importancia del desarrollo de la investigación para encontrar tratamientos y técnicas cada vez menos
invasivas para ambos, el cuerpo humano y el medio ambiente.
De manera natural, los compuestos de coordinación se observan en sistemas biológicos, por ejemplo,
en la hemoglobina, que inspiró la síntesis del Co(acacen)L (Fig. 1), un compuesto de cobalto que
serviría como acarreador de oxígeno y pretendía ser utilizado en la segunda guerra mundial
evitando que los aviones cargaran tanques llenos de oxígeno (Crumbliss & Basolo, 1969), o la
vitamina B12 (Fig. 2) , un catalizador biológico responsable de reacciones de óxido-reducción y/o
rupturas homolíticas que derivan en reacciones de biometilación y que, de no funcionar
adecuadamente, puede ser responsable de la anemia perniciosa (O’Leary & Samman, 2010). La
vitamina B12 es la única capaz de formar un enlace M–C en un sistema biológico, es decir, es el único
4
Osorio-Yáñez R. N. & Morales-Morales D
TECNOCIENCIA CHIHUAHUA, Vol. XV (3) e 855 (2021)
compuesto organometálico en el cuerpo humano. En general, existe también un creciente interés en
entender los mecanismos de acción de los catalizadores biológicos: las enzimas. Uno de los ejemplos
de mayor importancia actualmente, es el estudio de la fijación de nitrógeno gaseoso (N2) llevado a
cabo por una enzima presente solamente en algunas bacterias, la nitrogenasa (Fig. 3) pues, a pesar
de que el nitrógeno es considerado como un gas inerte debido a su alta energía de enlace (946 kJ mol-
1), la nitrogenasa puede activarlo incluso a temperatura ambiente para la generación de amonio (o
derivados, los cuales pueden ser utilizados como fertilizantes, y más recientemente incluso como
combustibles). Dicho mecanismo sirvió como inspiración en el proceso Haber-Bosch (Nobel de
Química 1918 y 1931). Actualmente diversos grupos de investigación en el mundo sintetizan
catalizadores bien definidos (Chalkley et al., 2020) o basados en enzimas (Chen & Arnold, 2020) y
estudian este mecanismo (M. Siegbahn, 2019) pues el proceso Haber-Bosch utiliza condiciones de
reacción extremas (15-25 MPa, 400-500 ºC) y es necesario encontrar catalizadores más eficientes. Otra
reacción que lleva a cabo la nitrogenasa es la reducción del CO atmosférico (energía de enlace: 1079
kJ mol-1) en hidrocarburos pequeños (cadena corta y/o bajo peso molecular), lo que dio lugar al
proceso Fischer-Tropsh que se utiliza industrialmente en la actualidad y que de igual manera utiliza
condiciones de reacción moderadas (150-300 ºC, 1-4 MPa).
Figura 2. Vitamina B-12 y el cofactor más estudiado de la nitrogenasa (cofactor MoFe).
Figure 2. Vitamin B-12 and the most studied nitrogenase cofactor (cofactor MoFe).
Dado lo anterior, es de esperarse que el diseño de compuestos de coordinación y organometálicos
estén inspirados en estos sistemas. Un ejemplo es el diseño de catalizadores, que es una de las áreas
de mayor aplicación de compuestos organometálicos y de coordinación actualmente y que
seguramente seguirá en las próximas décadas. Existen diversos procesos catalíticos que permiten la
activación de enlaces C–H, C–X (X = N, O, P, S) o C–C los cuales son fundamentales para la síntesis
de moléculas orgánicas tales como medicamentos o materias primas utilizadas en procesos
industriales (Astruc, 2007). A este respecto, una gran variedad de científicos han sido acreedores al
Premio Nobel de Química por sus invaluables contribuciones a la química organometálica, tales
como: Robert H. Grubbs, Yves Chauvin y Richard R. Schrock en 2005 y Akira Suzuki, Richard F.
Heck y Ei-ichi Negishi en 2010.
5
Osorio-Yáñez R. N. & Morales-Morales D
Especialmente en el área de la medicina, especialistas de diferentes áreas como Química, Física y
Biología han logrado establecer un lenguaje común que ha permitido el desarrollo de técnicas como
la MRI (Magnetic Resonance Imaging) o la radioterapia. La técnica de MRI permite la visualización de
estructuras biológicas (órganos y tejidos) opacas con una resolución espacial relativamente alta (ca.
10
M) en un procedimiento no invasivo y no doloroso. Mediante esta técnica, es posible observar
tumores o anomalías en todo el cuerpo humano. En consecuencia, se han detectado enfermedades
en riñones, útero, hígado, corazón, senos, entre otros y el potencial de su aplicación sigue en
desarrollo. La resolución de las imágenes observadas puede ser mejorada por la presencia de agentes
contrastantes (CAs: contrast agents) los cuales son iones metálicos que estando en contacto con las
moléculas de agua en el cuerpo y debido a la emisión de ondas electromagnéticas de radio permiten
que la imagen del órgano o tejido sea más brillante y se observe más claramente. La posibilidad de
modular la selectividad e intensidad del brillo de la imagen es responsabilidad de los CAs que son
compuestos de coordinación y que actualmente son estudiados intensamente con la finalidad, por
ejemplo, de que respondan a estímulos biológicos o cambios en el ambiente para ser activados, así
como los apagadores en nuestras casas (Lowe, 2004). En la Figura 3 se observa el primer CA
estudiado, conocido comercialmente como Magnevist.
Figura 3. Magnevist: agente contrastante utilizado comúnmente en la técnica MRI.
Figure 3. Magnevist: Contrast Agent normally used in MRI.
Se ha visto el desarrollo de estos mecanismos de cambio o “switch” en los compuestos
organometálicos y de coordinación durante años, pero recientemente la cantidad de artículos
publicados ha crecido exponencialmente y las aplicaciones son cada vez más interesantes. Por
ejemplo, en los catalizadores, al inicio de este año Chirik (quién es editor en jefe de la revista
Organometallics) y colaboradores, publicaron que el mecanismo de un catalizador de cobalto sigue
dos diferentes trayectorias de acuerdo con el estímulo energético utilizado (Mendelsohn et al., 2021).
Es decir, cuando la reacción se lleva a cabo con calentamiento térmico se obtiene un producto
alqueno y cuando el estímulo energético es luz azul se obtiene otro producto, alcano (Esquema 1).
Este es un claro ejemplo de la versatilidad de los mecanismos catalíticos con metales de transición
(que además son abundantes en la corteza terrestre), en donde los mecanismos de reacción pueden
ser intercambiados de acuerdo con el estímulo energético utilizado.
6
Osorio-Yáñez R. N. & Morales-Morales D
TECNOCIENCIA CHIHUAHUA, Vol. XV (3) e 855 (2021)
Esquema 1. Ejemplo de catalizador switch activado por dos mecanismos diferentes de acuerdo con el estímulo
externo utilizado. Arriba: térmico; abajo: luz azul.
Scheme 1. Example of a switch catalyst activated by two different mechanisms according to the external
energy source. Above: conventional heating; below: blue light
Otra aplicación en la que los compuestos organometálicos y de coordinación han sido utilizados es
en la fabricación de OLEDs (Organic Light Emitting Diodes), este descubrimiento es el que nos ha
permitido tener imágenes a todo color con una tecnología amigable con el ambiente (pues estos
dispositivos sólo emiten energía cuando es necesario y cuando no se utilizan se quedan
completamente apagados en negro). Por ejemplo, en la fabricación de focos para interiores o
pantallas de celulares, cámaras digitales y televisores de alta definición. Sin embargo, debido a que
los OLEDs están compuestos de múltiples capas finas, el flujo de energía que puede observarse
afuera del dispositivo es alrededor del 20–30 %. En consecuencia, hay un interés creciente en el
diseño de dispositivos que eviten la pérdida energética, es aquí donde se utilizan los metales de
transición, en el proceso de dopaje donde se utilizan óxidos de Mo, W, Re o compuestos
organómetalicos de Ir, Pt, Ru, Os y Cu.
Actualmente se sintetizan compuestos organometálicos y de coordinación que son materiales
fosforecentes o fluorescentes, es decir, que pueden emitir radiaciones de alta energía no solamente
en el intervalo del espectro visible que necesitan los OLEDs de alta eficiencia (color azul) sino en
todo el espectro visible, dando lugar a diferentes aplicaciones como la separación foto química del
agua (en hidrógeno y oxígeno), sensores químicos, fotocatálisis, celdas solares sensibles a la
coloración (DSSCs: Dye-Sensitised Solar Cells), sensores de oxígeno, para etiquetado de muestras
biológicas, reacciones de transferencia de carga en el ADN y como agentes antitumorales (Visbal y
Gimeno, 2014; Zou et al., 2020).
También, una de las aplicaciones más conocidas de los compuestos de coordinación es como
metalodrogas, específicamente en el tratamiento del cáncer (Hartinger & Dyson, 2009). Todo
comenzó en un hecho fortuito mientras Barnett Rosenberg estaba investigando si la corriente
eléctrica jugaba algún papel importante en la división celular. El experimento utilizaba células de
Escherichia coli creciendo en una disolución de cloruro de amonio a la cual se le aplicaba una corriente
eléctrica a través de un electrodo de platino. Al pasar el tiempo encontró una aparente inhibición
celular y después de cuidadosas observaciones, se hizo el reporte de que era debida al compuesto
cis-platino cis-[PtCl4(NH3)2]. El compuesto trans no presentó ninguna citotoxicidad (Rosenberg et al.,
1967). En la actualidad, este compuesto es el mayormente utilizado para el tratamiento del cáncer,
sin embargo, existen bastantes efectos secundarios relacionados con su uso, por ejemplo, alopecia,
7
Osorio-Yáñez R. N. & Morales-Morales D
sangrado o anemia (Galluzzi et al., 2014). Obviamente, a raíz de semejante descubrimiento, la
comunidad empezó a examinar otros compuestos que presentaran mayor selectividad hacia las
células carcinogénicas y en consecuencia disminuir los efectos secundarios de la quimioterapia. Así
se han estudiado diferentes compuestos de coordinación y organometálicos con diversos
mecanismos de acción contra las células cancerosas que son menos invasivos en comparación con la
agresiva intercalación con el ADN realizada por los compuestos de platino. Entre los mecanismos
de acción menos invasivos reportados se encuentran, el ataque al retículo endoplásmico, a la
mitocondria y la generación excesiva de especies reactivas de oxígeno (ROS: Reactive Oxygen Species)
que provocan la muerte celular (Kovacic & Osuna, 2000). Hoy en día tenemos una variedad de
compuestos que están siendo evaluados por su mecanismo de acción, toxicidad y selectividad que
sirven de ejemplo claro de la versatilidad de los compuestos organometálicos y de coordinación
debido a que permiten la modulación de su actividad, la cual no se puede realizar con moléculas
orgánicas puras. Además, los diferentes tipos de ligantes que los acompañan (tales como NHC,
heterociclos, organoarsénicos, drogas aprobadas clínicamente o incluso estructuras
supramoleculares) también sirven como variable de modulación. Entre los compuestos que se han
estudiado, los más sobresalientes son los de Ru, Os, Ir, Fe (familias de compuestos organometálicos
derivados del ferroceno y familias de compuestos de coordinación con ligantes quelantes), Cu (las
famosas casiopeínas desarrolladas en nuestro país)(Espinal-Enríquez et al., 2016; Valdez-Camacho et
al., 2020), Au, Ti, V e incluso compuestos heterometálicos. Algunos de estos compuestos han
alcanzado pruebas en fase clínica tales como los de Ru (KP1019), Au y Cu (Fig. 4), algunos no han
sido evaluados clínicamente y muchos más se encuentran bajo estudio (Casini et al., 2019).
En este contexto, Zhang y Sadler (2017a, b) estudiaron el interesante concepto de agentes para el
tratamiento del cáncer que, como muchos compuestos organometálicos, también son catalizadores.
Esta característica los hace ser relativamente inertes a la activación por hidrólisis y muy citotóxicos
hacia células cancerosas. Este tipo de compuestos inducen reacciones redox dentro de la célula
cancerosa por lo que se incrementan las ROS dentro de ella causando la muerte celular (Dougan et
al., 2008; Zhang y Sadler, 2017a, 2017b).
Relacionado con estos compuestos está la radiología terapéutica (radiación focalizada) o
imagenología pues algunos de los compuestos mencionados previamente sirven también para
localizar las células tumorales mediante técnicas radioactivas como la PDT (Photodynamic Therapy),
la PET (Positron Emission Tomography), o la SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography).
Cabe destacar que estas metodologías necesitan la modulación y alineación de los factores
biológicos, así como del propio decaimiento de los núcleos radioactivos. Sin embargo, la flexibilidad
de los compuestos organometálicos y de coordinación ofrece diferentes alternativas para hacer
coincidir el metal radioactivo con el perfil farmacocinético del objetivo para la aplicación que se
requiera. Actualmente existe un gran interés en el desarrollo y optimización de estas técnicas.
Algunos de los núcleos que emiten partículas radioactivas (alfa, beta o electrones Auger) que han
sido estudiados y que han demostrado resultados prometedores son 225Ac, 64Cu, 67Cu, 177Lu, 223Ra,
186Re, 188Re, 47Sc, 149Tb, 227Th y 90Y e incluso algunos han alcanzado pruebas en fase clínica.
Así mismo, se han sintetizado compuestos de coordinación y organometálicos con propiedades
farmacológicas para el tratamiento de diversas enfermedades causadas por virus (como la gripe y el
sarampión) y bacterias (como la tuberculosis y la artritis), tal es el caso del auranofin (Fig. 4) utilizado
para el tratamiento de la artritis. Sin embargo, al ser organismos vivos, los virus y bacterias van
adquiriendo resistencia contra los medicamentos por lo que la investigación para encontrar nuevos
metalofármacos debe ser continua (Frei, 2020).
8
Osorio-Yáñez R. N. & Morales-Morales D
TECNOCIENCIA CHIHUAHUA, Vol. XV (3) e 855 (2021)
Figura 4. a) Cisplatino y derivados usados para el tratamiento de diferentes tipos de cáncer. b)
metalofármacos actualmente en pruebas en fase clínica, auranofin usada también para el tratamiento de la
artritis, c) metalofármacos de Fe que son candidatos para usar como agentes contra el cáncer: izquierda
(organometálico): utilizado en terapia fotodinámica, derecha (de coordinación): induce apoptosis bloqueando
la fase de síntesis en el ciclo celular de células cancerosas.
Figure 4. a) Cisplatin and examples of metalodrugs used for treatment of different types of cancer. b)
metalodrugs currently on clinical trial, auranofin is also used for arthritis treatment, c) Fe metalodrugs that are
good candidates for cancer treatment: left (organometallic): used for PDT (Photodynamic Therapy), right
(coordination): induces apoptosis by blocking the S phase of the cellular cycle in cancer cells.
El grupo de investigación enfocado a la síntesis de catalizadores organometálicos bien definidos para
la activación de enlaces C–H, C–C y C–S es lidereado por David Morales-Morales (editor asociado
de la revista Applied Organometallic Chemistry); fue uno de los pioneros en la síntesis de un tipo de
ligantes conocidos como tipo pinza (van Koten & Gossage, 2016), los cuales poseen una alta
estabilidad térmica y robustez, lo que les permite realizar una gran diversidad de procesos catalíticos
9
Osorio-Yáñez R. N. & Morales-Morales D
y alcanzar rendimientos de reacción sobresalientes (Morales-Morales, 2004). Recientemente han
reportado la actividad de los catalizadores utilizando agua como disolvente y microondas como
fuente de calentamiento, ( Flores-Rojas et al., 2020; Ortega-Gaxiola et al., 2020) con lo que esperamos
realizar procesos más amigables con el ambiente de acuerdo con los 12 principios de la química verde
(ACS, 2021). Así mismo, también este grupo de investigadores ha encontrado que algunos de los
compuestos que son excelentes catalizadores, también tienen actividad citotóxica contra células
cancerosas de diversos tipos de cáncer de alta incidencia en México como colon, mama y próstata
(Backman-Blanco et al., 2020).
Figura 5. Ejemplos de catalizadores tipo pinza sintetizados David Morales-Morales y Craig M. Jensen de
izquierda a derecha: POCOP-PdII (Morales-Morales et al., 2000), PCP-IrIII (Morales-Morales et al., 2011), PCP-
IrV (Morales-Morales et al., 2002).
Figure 5. Examples of pincer type catalysts synthesized by David Morales-Morales and Craig M. Jensen from
left to right: POCOP-PdII, PCP-IrIII, PCP-IrV.
La química de coordinación y organometálica también ha fundado las bases de la llamada química
supramolecular, en la que se sintetizan estructuras que están “más allá del límite”, en este caso del
límite molecular, esta área de la química relativamente nueva fue llamada así por primera vez por
Lehn haciendo referencia a la química relacionada con los éteres corona, la química de anfitrión-
huésped y el reconocimiento molecular. Por sus investigaciones fue acreedor del premio Nobel de
Química en 1987 en conjunto con Donald J. Cram y Charles J. Pedersen por el uso de los criptatos
que son una familia de ligantes multidentados los cuales pueden ser coordinados a una gran
variedad de cationes (Lehn, 1988). Nuevamente, el modo de trabajo de los sistemas biológicos fue lo
que los inspiró a encontrar ligantes que imitaran el transporte de iones en las membranas celulares.
A lo largo de los años siguientes, se han sintetizado en el mundo una gran cantidad de compuestos
que pertenecen esta categoría y que han sido utilizados en la interfaz de áreas como física, biología
o ingeniería de materiales en aplicaciones tales como máquinas moleculares, sensores moleculares,
absorción de gases, extracción de metales de minerales, nanoreactores, catálisis y entrega de
fármacos. El grado de innovación de estas estructuras es tal, que en 2016 el científico holandés Ben
Feringa fue acreedor al premio Nobel de Química en conjunto con Jean-Pierre Sauvage y Sir J. Fraser
Stoddart por desarrollar las máquinas más pequeñas del mundo que además están impulsadas por
la luz (Koumura et al., 1999).
Algunas de las estructuras que dentro de esta categoría tienen la finalidad de atrapar moléculas
pequeñas o incluso iones, ya sea para hacer separaciones o para utilizarlas como almacén, por
ejemplo: los MOFs (Metal Organic Frameworks) (Bhardwaj et al., 2018), los POCs (Porous Organic
Cages), los MOPs (Metal-Organic Polyhedra), las PCCs (Porous Coordination Cages) (Diercks et al., 2018),
las PAFs (Porous Aromatic Frameworks) y los MOCs (Metal Organic Cubes). Para más información sobre
química supramolecular consultar el número nueve de la revista Chemical Society Reviews la cual
10
Osorio-Yáñez R. N. & Morales-Morales D
TECNOCIENCIA CHIHUAHUA, Vol. XV (3) e 855 (2021)
celebró el 30º año de aniversario de la Química Supramolecular en 2017 (Amabilino & Gale, 2017).
Para una revisión más detallada sobre nanocontenedores consultar Albrecht y Hahn, 2012.
Figura 6. Ejemplos de estructuras supramoleculares derivadas de ligantes tipo NHCs (por sus siglas en inglés:
N-heterocyclic carbene). Izquierda: cuadrado molecular; derecha: cilindro molecular (Sinha & Hahn, 2017).
Figure 6. Examples of supramolecular structures bearing NHC ligands. Left: molecular square; right:
molecular cylinder.
Perspectivas de los compuestos organometálicos y de coordinación
El estudio de compuestos organometalicos y de coordinación ofrece una oportunidad de
investigación que tiene lugar actualmente en su síntesis y aplicación en diferentes áreas. A
continuación, se presentan algunos tópicos a considerar:
La síntesis de metalodrogas útiles y con menos efectos secundarios que las que se utilizan
actualmente. Estudios recientes han demostrado resultados prometedores en el uso de agentes que
se dirijan únicamente a una parte de la célula cancerosa, potencializando su selectividad hacia células
cancerosas dejando intactas a las células saludables (Johnstone et al., 2016).
Mejorar los procesos de síntesis y energéticos para disminuir los efectos del cambio climático. Se han
desarrollado diversas técnicas y enfoques para este propósito en el transcurso de los años, sin
embargo, todavía es necesario profundizar. Por ejemplo, considerando los desechos generados en
los laboratorios, sintetizando catalizadores más eficientes y de fácil acceso para el ciudadano
promedio (que conviertan los gases de efecto invernadero en materias primas de alto valor agregado)
y eliminando el uso de combustibles fósiles, por ejemplo, mediante la técnica de licuefacción
hidrotermal (Cabrera & Labatut, 2021). Una de las alternativas más prometedoras para lograr estas
metas es la biocatálisis (Hauer, 2020).
Retomar la importancia de los compuestos que poseen un enlace directo alquílico o arílico y sus
aplicaciones en catálisis, dichos compuestos fueron menospreciados en los años 50s debido al auge
de los compuestos sándwich, pero a lo largo del tiempo han adquirido mayor interés por parte de
los investigadores. Actualmente son compuestos esenciales para la transformación de metano o
11
Osorio-Yáñez R. N. & Morales-Morales D
compuestos saturados en compuestos de mayor valor comercial como metanol o aldehídos (Jia et al.,
2001; Lunsford, 1995).
El área de la luminiscencia está todavía en sus inicios y es necesario, por ejemplo, desarrollar la
síntesis de compuestos emisores de luz azul para la fabricación de OLEDs de alta eficiencia o la
síntesis de compuestos fluorescentes o fosforecentes que sean más selectivos mediante la respuesta
ante un estímulo externo para activar las metalodrogas o para su uso en imagenología (Qi et al.,
2021).
Conclusiones
La diversidad estructural de los compuestos organometálicos y de coordinación debida no
solamente al centro metálico (el cuál puede adoptar diferentes geometrías de coordinación, estados
de oxidación y números de coordinación) sino también a la gran variedad de ligantes que se han
descubierto tales como fosfinas, NHC, pinza entre muchos otros, han permitido el desarrollo de
nuestra vida cotidiana tal como la conocemos actualmente y estamos lejos de haber encontrado todas
las posibles aplicaciones que esconden estos, literalmente, metales preciosos.
Con la presente revisión se da una perspectiva del estado del arte de la síntesis y aplicación de
compuestos organometálicos y de coordinación sintetizados hasta ahora. Su aplicación desde
catalizadores para síntesis orgánica hasta su utilidad cómo agentes citotóxicos o drogas cada vez
menos invasivas para el cuerpo humano. Se ofrece una plétora de posibilidades que se pueden seguir
explorando y en las que se puede hacer una contribución para mejorar nuestra existencia en el
planeta, ya sea disminuyendo nuestra huella de carbono, contrarrestando los efectos del cambio
climático o para el tratamiento de pacientes terminales.
Agradecimientos
R. N. O. Y. agradece al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología por la beca de estancias
posdoctorales por México otorgada (BP-PA-20200603135404104-98646).
D.M.-M. agradece el generoso financiamiento del programa PAPIIT-DGAPA-UNAM (PAPIIT
IN210520) y del CONACYT a través de los proyectos A1-S-33933 FORDECYT-PRONACES
FON.INST 22/2020 (FOINS 307152) para nuestra investigación.
Conflicto de interés
Los autores declaran que no hay conflictos de interés.
Nomenclatura
DMF
Dimetilformamida
py
piridina
acacen
Bis(acetilacetona)etilendiamina
12
Osorio-Yáñez R. N. & Morales-Morales D
TECNOCIENCIA CHIHUAHUA, Vol. XV (3) e 855 (2021)
tBu
tert-butilo
iPr
iso-propilo
Ph
fenilo
MOF
Metal Organic Framework
POC
Porous Organic Cages
PCC
Porous Coordination Cages
MOC
Metal Organic Cubes
PAF
Porous Aromatic Frameworks
OLED
Organic Light Emitting Diode
PDT
Photodynamic Therapy
SPECT
Single Photon Emission Computed
PET
Possitron Emission Tomography
NHC
N-heterocyclic carbene
ROS
Reactive Oxygen Species
Referencias
ACS. (2021, March 15). 12 Principles of Green Chemistry. American Chemical Society.
https://www.acs.org/content/acs/en/greenchemistry/principles/12-principles-of-green-
chemistry.html
Albrecht, M., & Hahn, E. (Eds.). (2012). Chemistry of Nanocontainers (319). Springer Berlin
Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-642-28059-7
Amabilino, D. B., & Gale, P. A. (2017). Supramolecular chemistry anniversary. Chem. Soc.
Rev., 46(9), 2376–2377. https://doi.org/10.1039/C7CS90037F
Astruc, D. (2007). Organometallic Chemistry and Catalysis (2nd ed.). Springer.
Backman-Blanco, G., Valdés, H., Ramírez-Apan, M. T., Cano-Sanchez, P., Hernandez-
Ortega, S., Orjuela, A. L., Alí-Torres, J., Flores-Gaspar, A., Reyes-Martínez, R., &
Morales-Morales, D. (2020). Synthesis of Pt(II) complexes of the type [Pt(1,10-
phenanthroline)(SArFn)2] (SArFn = SC6H3-3,4-F2; SC6F4-4-H; SC6F5). Preliminary
evaluation of their in vitro anticancer activity. J. Inorg. Biochem., 211, 111206.
https://doi.org/10.1016/j.jinorgbio.2020.111206
13
Osorio-Yáñez R. N. & Morales-Morales D
Basolo, F. (2002). From Coello to Inorganic Chemistry. Springer US.
https://doi.org/10.1007/978-1-4615-0635-5
Bhardwaj, S. K., Bhardwaj, N., Kaur, R., Mehta, J., Sharma, A. L., Kim, K.-H., & Deep, A.
(2018). An overview of different strategies to introduce conductivity in metal–organic
frameworks and miscellaneous applications thereof. J. Mater. Chem. A, 6(31), 14992–
15009. https://doi.org/10.1039/C8TA04220A
Borys, A. (2020). The Schlenk Line Survival Guide. The Schlenk Line Survival Guide.
https://schlenklinesurvivalguide.com/
Cabrera, D. V., & Labatut, R. A. (2021). Outlook and challenges for recovering energy and
water from complex organic waste using hydrothermal liquefaction. Sustainable Energy
Fuels, 5(8), 2201–2227. https://doi.org/10.1039/D0SE01857K
Casini, A., Vessières, A., & Meier-Menches, S. M. (Eds.). (2019). Metal-based anticancer
agents. In Metallobiology, Royal Society of Chemistry.
https://doi.org/10.1039/9781788016452-FP001.
Chalkley, M. J., Drover, M. W., & Peters, J. C. (2020). Catalytic N2-to-NH3 (or -N2H4)
Conversion by Well-Defined Molecular Coordination Complexes. Chem. Rev., 120(12),
5582–5636. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00638
Chen, K., & Arnold, F. H. (2020). Engineering new catalytic activities in enzymes. Nat.
Catal., 3(3), 203–213. https://doi.org/10.1038/s41929-019-0385-5
Crumbliss, A. L., & Basolo, F. (1969). Monomeric Cobalt-Oxygen Complexes. Science,
164(3884), 1168–1170. https://doi.org/10.1126/science.164.3884.1168
Diercks, C. S., Kalmutzki, M. J., Diercks, N. J., & Yaghi, O. M. (2018). Conceptual Advances
from Werner Complexes to Metal–Organic Frameworks. ACS Cent. Sci., 4(11), 1457–
1464. https://doi.org/10.1021/acscentsci.8b00677
Dougan, S. J., Habtemariam, A., McHale, S. E., Parsons, S., & Sadler, P. J. (2008). Catalytic
organometallic anticancer complexes. PNAS, 105(33), 11628–11633.
https://doi.org/10.1073/pnas.0800076105
Espinal-Enríquez, J., Hernández-Lemus, E., Mejía, C., & Ruiz-Azuara, L. (2016). Network
Analysis Shows Novel Molecular Mechanisms of Action for Copper-Based
Chemotherapy. Front. Physiol., 6, 406. https://doi.org/10.3389/fphys.2015.00406.
Frei, A. (2020). Metal Complexes, an Untapped Source of Antibiotic Potential? Antibiotics,
9(2), 90. https://doi.org/10.3390/antibiotics9020090
Gabriel Flores-Rojas, G., González-Sebastián, L., Reyes-Martínez, R., Aguilar-Castillo, B. A.,
Hernández-Ortega, S., & Morales-Morales, D. (2020). Synthesis and characterization of
Pd(II) complexes bearing NS, CS, SNS and SCS ligands. Evaluation of their microwave
assisted catalytic activity in C-C coupling reactions. Polyhedron, 185, 114601.
https://doi.org/10.1016/j.poly.2020.114601
Galluzzi, L., Vitale, I., Michels, J., Brenner, C., Szabadkai, G., Harel-Bellan, A., Castedo, M.,
& Kroemer, G. (2014). Systems biology of cisplatin resistance: Past, present and future.
Cell Death Dis., 5, e1257. https://doi.org/10.1038/cddis.2013.428
14
Osorio-Yáñez R. N. & Morales-Morales D
TECNOCIENCIA CHIHUAHUA, Vol. XV (3) e 855 (2021)
Hartinger, C. G., & Dyson, P. J. (2009). Bioorganometallic chemistry—From teaching
paradigms to medicinal applications. Chem. Soc. Rev., 38(2), 391–401.
https://doi.org/10.1039/B707077M
Hauer, B. (2020). Embracing Nature’s Catalysts: A Viewpoint on the Future of Biocatalysis.
ACS Catal., 10(15), 8418–8427. https://doi.org/10.1021/acscatal.0c01708
Jia, C., Kitamura, T., & Fujiwara, Y. (2001). Catalytic Functionalization of Arenes and
Alkanes via C−H Bond Activation. Acc. Chem. Res., 34(8), 633–639.
https://doi.org/10.1021/ar000209h
Johnstone, T. C., Suntharalingam, K., & Lippard, S. J. (2016). The Next Generation of
Platinum Drugs: Targeted Pt(II) Agents, Nanoparticle Delivery, and Pt(IV) Prodrugs.
Chem. Rev., 116(5), 3436–3486. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00597
Jörgensen, S. M. (1899). Zur Konstitution der Kobalt-, Chrom- und Rhodiumbasen. Z.
Anorg. Chem., 19(1), 109–157. https://doi.org/10.1002/zaac.18990190113
Kealy, T. J., & Pauson, P. L. (1951). A New Type of Organo-Iron Compound. Nature,
168(4285), 1039–1040. https://doi.org/10.1038/1681039b0
Koumura, N., & Zijlstra, R. W. J. (1999). Light-driven monodirectional molecular rotor.
Nature, 401(6749), 152–155. https://doi.org/10.1038/43646
Kovacic, P., & Osuna, J. A. (2000). Mechanisms of anti-cancer agents: Emphasis on oxidative
stress and electron transfer. Curr. Pharm. Des., 6(3), 277–309.
https://doi.org/10.2174/1381612003401046
Lehn, J.-M. (1988). Supramolecular chemistry. Scope and perspectives: Molecules-
Supermolecules-Molecular devices. J. Incl. Phenom., 6(4), 351–396.
https://doi.org/10.1007/BF00658981.
Lowe, M. (2004). Activated MR Contrast Agents. Curr. Pharm. Biotechnol., 5(6), 519–528.
https://doi.org/10.2174/1389201043376562
Lunsford, J. H. (1995). The Catalytic Oxidative Coupling of Methane. Angew. Chem. Int.
Ed., 34(9), 970–980. https://doi.org/10.1002/anie.199509701
Marion, P., Bernela, B., Piccirilli, A., Estrine, B., Patouillard, N., Guilbot, J., & Jérôme, F.
(2017). Sustainable chemistry: How to produce better and more from less? Green Chem.,
19(21), 4973–4989. https://doi.org/10.1039/C7GC02006F
Mendelsohn, L. N., MacNeil, C. S., Tian, L., Park, Y., Scholes, G. D., & Chirik, P. J. (2021).
Visible-Light-Enhanced Cobalt-Catalyzed Hydrogenation: Switchable Catalysis
Enabled by Divergence between Thermal and Photochemical Pathways. ACS Catal.,
11(3), 1351–1360. https://doi.org/10.1021/acscatal.0c05136
Morales-Morales, D. (2004). Pincer Complexes: Applications in Catalysis. Rev. Soc. Quím.
Méx., 48(4), 338–346.
Morales-Morales, D., Cramer, R. E., & Jensen, C. M. (2002). Enantioselective synthesis of
platinum group metal complexes with the chiral PCP pincer ligand R,R-{C6H4-2,6-
(CH2P*PhBut)2}. The crystal structure of R,R-PdCl{C6H3-2,6-(CH2P*PhBut)2}. J.
Organomet. Chem., 654(1), 44–50. https://doi.org/10.1016/S0022-328X(02)01371-2
Morales-Morales, D., Grause, C., Kasaoka, K., Redón, R., Cramer, R. E., & Jensen, C. M.
(2000). Highly efficient and regioselective production of trisubstituted alkenes through
15
Osorio-Yáñez R. N. & Morales-Morales D
heck couplings catalyzed by a palladium phosphinito PCP pincer complex. Inorganica
Chim. Acta, 300–302, 958–963. https://doi.org/10.1016/S0020-1693(99)00616-7
Morales-Morales, D., Redón, R., Wang, Z., Lee, D. W., Yung, C., Magnuson, K., & Jensen,
C. M. (2001). Selective dehydrogenation of alcohols and diols catalyzed by a dihydrido
iridium PCP pincer complex. Can. J. Chem., 79 (5), 823–829. https://doi.org/10.1139/v01-
070
M. Siegbahn, P. E. (2019). The mechanism for nitrogenase including all steps. Phys. Chem.
Chem. Phys., 21(28), 15747–15759. https://doi.org/10.1039/C9CP02073J
O’Leary, F., & Samman, S. (2010). Vitamin B12 in Health and Disease. Nutrients, 2(3), 299–
316. https://doi.org/10.3390/nu2030299
Ortega-Gaxiola, J. I. (2020). Synthesis of Pd(II) complexes with P-N-OH ligands derived
from 2-(diphenylphosphine)-benzaldehyde and various aminoalcohols and their
catalytic evaluation on Suzuki-Miyaura couplings in aqueous media. Inorganica Chim.
Acta, 504, 119460. https://doi.org/10.1016/j.ica.2020.119460
Qi, C., Wang, X., Chen, Z., Xiang, S., Wang, T., Feng, H.-T., & Tang, B. Z. (2021).
Organometallic AIEgens for biological theranostics. Mater. Chem. Front., 5(8), 3281–
3297. https://doi.org/10.1039/D0QM01130D
Rosenberg, B., Renshaw, E., Vancamp, L., Hartwick, J., & Drobnik, J. (1967). Platinum-
Induced Filamentous Growth in Escherichia coli. J. Bacteriol., 93(2), 716–721.
https://doi.org/10.1128/jb.93.2.716-721.1967
Sinha, N., & Hahn, F. E. (2017). Metallosupramolecular Architectures Obtained from Poly-
N-heterocyclic Carbene Ligands. Acc. Chem. Res., 50(9), 2167–2184.
https://doi.org/10.1021/acs.accounts.7b00158
Valdez-Camacho, J. R., Pérez-Salgado, Y., Espinoza-Guillén, A., Gómez-Vidales, V., Alberto
Tavira-Montalvan, C., Meneses-Acosta, A., Leyva, M. A., Vázquez-Ríos, M. G., Juaristi,
E., Höpfl, H., Ruiz-Azuara, L., & Escalante, J. (2020). Synthesis, structural
characterization and antiproliferative activity on MCF-7 and A549 tumor cell lines of
[Cu(N-N)(β3-aminoacidate)]NO3 complexes (Casiopeínas®). Inorganica Chim. Acta,
506, 119542. https://doi.org/10.1016/j.ica.2020.119542
van Koten, G., & Gossage, R. A. (Eds.). (2016). The Privileged Pincer-Metal Platform:
Coordination Chemistry & Applications, 54. Springer International Publishing.
https://doi.org/10.1007/978-3-319-22927-0
Visbal, R., & Gimeno, M. C. (2014). N-heterocyclic carbene metal complexes:
Photoluminescence and applications. Chem. Soc. Rev., 43(10), 3551–3574.
https://doi.org/10.1039/C3CS60466G.
Werner, A. (1899). Beitrag zur Konstitution anorganischer Verbindungen. Z. Anorg. Chem.,
19(1), 158–178. https://doi.org/10.1002/zaac.18990190114
Zhang, P., & Sadler, P. J. (2017a). Redox-Active Metal Complexes for Anticancer Therapy:
Redox-Active Metal Complexes for Anticancer Therapy. Eur. J. Inorg. Chem., 2017(12),
1541–1548. https://doi.org/10.1002/ejic.201600908
16
Osorio-Yáñez R. N. & Morales-Morales D
TECNOCIENCIA CHIHUAHUA, Vol. XV (3) e 855 (2021)
Zhang, P., & Sadler, P. J. (2017b). Advances in the design of organometallic anticancer
complexes. J. Organomet. Chem., 839, 5–14.
https://doi.org/10.1016/j.jorganchem.2017.03.038
Zou, S.-J., Shen, Y., Xie, F.-M., Chen, J.-D., Li, Y.-Q., & Tang, J.-X. (2020). Recent advances in
organic light-emitting diodes: Toward smart lighting and displays. Mater. Chem. Front.,
4(3), 788–820. https://doi.org/10.1039/C9QM00716D
2021 TECNOCIENCIA CHIHUAHUA.
Esta obra está bajo la Licencia Creative Commons Atribución No Comercial 4.0 Internacional.
https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/