Invertir en los logros del Premio Nobel – Catálisis Asimétrica con Organocatalizadores

Historia del Premio Nobel

El Premio Nobel es el galardón más prestigioso del mundo científico. Fue creado según la voluntad del Sr. Alfred Nobel para otorgar un premio “a quienes, durante el año anterior, hayan conferido el mayor beneficio a la humanidad” en física, química, fisiología o medicina, literatura y paz.

Un sexto premio se creó más tarde para las ciencias económicas por el banco central sueco, oficialmente llamado el Premio en Ciencias Económicas, a menudo más conocido como el Premio Nobel de Economía.

La decisión de a quién atribuir el premio corresponde a varias instituciones académicas suecas.

Preocupaciones de Legado

La decisión de crear el Premio Nobel llegó a Alfred Nobel después de leer su propio obituario, tras un error de un periódico francés que malinterpretó la noticia de la muerte de su hermano. Titulado “El Comerciante de la Muerte está muerto”, el artículo francés criticó a Nobel por su invención de explosivos sin humo, de los cuales la dinamita era la más famosa.

Sus invenciones fueron muy influyentes en la configuración de la guerra moderna, y Nobel compró una enorme fábrica de hierro y acero para convertirla en un importante fabricante de armamento. Como primero fue químico, ingeniero e inventor, Nobel se dio cuenta de que no quería que su legado fuera el de un hombre recordado por haber hecho una fortuna a costa de la guerra y la muerte de otros.

Premio Nobel

Hoy en día, la fortuna de Nobel se guarda en un fondo invertido para generar ingresos que financien la Fundación Nobel y la medalla verde dorada, el diploma y el premio monetario de 11 millones de SEK (alrededor de 1 millón de dólares) atribuidos a los ganadores.

Fuente: Britannica

Con frecuencia, el dinero del Premio Nobel se divide entre varios ganadores, especialmente en campos científicos donde es común que 2 o 3 figuras líderes contribuyan conjuntamente o en paralelo a un descubrimiento revolucionario.

Con los años, el Premio Nobel se convirtió en EL premio científico, intentando equilibrar descubrimientos teóricos y muy prácticos. Ha premiado logros que sentaron las bases del mundo moderno, como la radioactividad, los antibióticos, los rayos X, o la PCR, así como ciencia fundamental como la fuente de energía del sol, la carga del electrón, la estructura atómica, o la superfluidez.

La Búsqueda de Más Catalizadores

Desde la era temprana de la química, los científicos han buscado formas de acelerar reacciones químicas o hacer que las moléculas reaccionen de maneras inusuales. A veces, esto puede lograrse cambiando las condiciones físicas, como usar calor o presión. Sin embargo, para otras reacciones químicas se necesitan productos especiales llamados catalizadores.

Los catalizadores suelen aumentar la probabilidad de que ocurra una reacción química, incrementando así su velocidad y/o su eficiencia.

Lo que hace únicos a los catalizadores es que, aunque participan en la reacción química, quedan sin cambios al final de la misma – solo “facilitan” la reacción.

Esto convierte a los catalizadores en una pieza a menudo olvidada del mundo moderno y absolutamente esencial en la fabricación de bienes cotidianos como petróleo refinado, plásticos, filtros de aire, purificación de agua, productos farmacéuticos, perfume, aromatizantes, alimentos, etc.

En conjunto, los catalizadores contribuyen de una forma u otra a la producción de hasta el 35 % del PIB mundial.

Muchos Tipos de Catalizadores

La primera actividad catalítica descubierta provino de metales como la plata, níquel, platino, paladio, etc. Sin embargo, estos catalizadores son costosos. Los catalizadores metálicos también tienen una baja selectividad, lo que significa que pueden catalizar muchas reacciones diferentes.

Si bien a veces esto puede ser una ventaja, no es el caso cuando solo se desea una reacción precisa, como en la producción de fármacos.

Otro tipo de catalizador son las enzimas. Estas proteínas pueden acelerar reacciones químicas muy específicas y son esencialmente los engranajes y máquinas que impulsan la vida misma.

La preparación de enzimas puras fue un gran avance científico y fue galardonada con el Premio Nobel en 1946. Hoy en día, las enzimas se usan rutinariamente en innumerables procesos químicos.

El límite de las enzimas es que fueron diseñadas por la naturaleza para realizar tareas específicas en células vivas. Por lo tanto, cuando la catálisis requerida es para algo no relacionado con la biología, como la producción de plásticos, puede ser bastante difícil o incluso imposible encontrar una enzima adecuada para la tarea.

Las enzimas también pueden ser frágiles y no funcionar en condiciones de acidez extrema, por ejemplo. Por eso surgió una fuerte necesidad de catalizadores no metálicos, diseñados a medida. Aquí es donde entran los organocatalizadores. Están hechos de carbono, hidrógeno, nitrógeno, azufre y fósforo ordinarios, pero sin metales.

Organocatalizadores

En 2021, el Premio Nobel de Química se atribuyó a Benjamin List y David W.C. MacMillan, por el desarrollo de la organocatálisis asimétrica.

Como se explicó, los organocatalizadores están hechos de elementos baratos y abundantes que forman la base de la química orgánica (centrada en el carbono). La parte “asimétrica” es importante, ya que en la mayoría de los procesos químicos y biológicos, las moléculas pueden presentar diferentes versiones, dependiendo de su simetría.

Estos cambios en la orientación de la molécula, también llamados “quiralidad”, a menudo tienen consecuencias importantes para su funcionalidad. Por ejemplo, la misma molécula de limoneno olerá de forma distinta según el lado en que esté orientada.

Fuente: Nobel Prize

List y MacMillan no fueron los primeros en descubrir los organocatalizadores. Algunos se encontraron por accidente ya en 1912 con la catálisis de quinina en la producción de cianhidrinos. Más tarde, un catalizador derivado de quinina se utilizó para realizar catálisis asimétrica.

Fuente: Nobel Prize

Sin embargo, durante mucho tiempo no existió un marco para analizar adecuadamente los organocatalizadores, y mucho menos para diseñar nuevos de forma personalizada.

¿Cómo Funciona la Catálisis?

La mayoría de las reacciones químicas necesitan cierto nivel de energía a nivel molecular para que los dos compuestos “choquen” y reaccionen. Los catalizadores acercan los reactivos, reduciendo la energía requerida y haciendo que la reacción sea más rápida y más probable.

Fuente: Byjus

Así, mientras ciertos elementos metálicos pueden provocar esta reducción de niveles de energía debido a sus propiedades atómicas inherentes, los aminoácidos de las enzimas lo hacen mediante la combinación de su configuración 3D y sus propiedades químicas.

Con frecuencia, son solo unos pocos aminoácidos los que realmente realizan la reacción catalítica, mientras el resto de la enzima brinda estabilidad, activación a partir de señales bioquímicas u otras funciones.

Fuente: Nobel Prize

Este fue el punto de partida para Benjamin List, quien quiso investigar si un pequeño número de aminoácidos, o incluso solo uno, podían realizar la catálisis de la misma manera que lo hacen las enzimas completas.

List Catalysts: Prolina y Quiralidad

List comenzó a trabajar con un solo aminoácido llamado prolina, que había demostrado ser un posible catalizador hace más de 25 años, en la década de 1970. Sin esperar una reacción muy fuerte, pero aún curioso por aprender más, realizó el experimento para comprobarlo.

No solo la prolina funcionó como catalizador, sino que lo hizo de forma muy potente. Al observar la reacción más a fondo, List descubrió que la catálisis era asimétrica, con una de las dos posibles imágenes de la molécula recién formada mucho más probable de formarse.

Esto sentó las bases para una nueva categoría de catalizador, llamada por los químicos catálisis de enamina, o catálisis de base de Lewis.

En ella, un átomo de nitrógeno reduce la energía requerida, y un ácido carboxílico estabiliza el estado de transición en los pasos intermedios de la reacción química catalizada.

Fuente: Nobel Prize

MacMillan Catalysts: Ión Iminio

MacMillan había trabajado con catalizadores asimétricos basados en metales, pero se dio cuenta de que las condiciones para que funcionaran rara vez eran viables en un entorno industrial, lo que hacía que los descubrimientos en laboratorio fueran poco útiles para la producción química a escala.

En su lugar, estudió cómo replicar los mecanismos básicos que estos metales utilizan con la química orgánica.

Los catalizadores metálicos son especialmente activos gracias a su capacidad de proporcionar o acomodar temporalmente electrones, reduciendo la barrera para que ocurra una reacción química.

Para replicar esa capacidad con moléculas orgánicas (con una columna de carbono), MacMillan supuso, a partir de su conocimiento químico, que el candidato perfecto sería un ión iminio.

Como resultado, este tipo de organocatalizador pasó a conocerse como catálisis de ión iminio / catálisis de ácido de Lewis.

La idea aquí es que el átomo de nitrógeno, con una afinidad inherente por los electrones, puede desempeñar el papel del átomo metálico en un catalizador metálico. Los grandes grupos químicos alrededor del nitrógeno obligan a que la reacción sea asimétrica.

Fuente: Nobel Prize

El Auge de los Organocatalizadores

MacMillan y List publicaron sus hallazgos paralelos casi al mismo tiempo en 2000, con la palabra para describir esta nueva clase de catalizadores acuñada por MacMillan.

Al explicar e investigar a fondo cómo funcionan, los dos investigadores y sus equipos abrieron el camino para el desarrollo sistemático de los organocatalizadores, donde trabajos previos se habían realizado de forma más fragmentada o mediante descubrimientos accidentales.

Los organocatalizadores son ahora un componente importante de la industria química por varias razones clave:

• Coste más bajo, especialmente al reemplazar la catálisis basada en metales.
• La producción asimétrica es muy importante para la calidad del producto final.
  • En el caso de los fármacos, puede ser una cuestión de vida o muerte, ya que algunas simetrías moleculares son útiles y otras mortales.
• Potencialmente más versátiles, con trabajos posteriores de MacMillan y List para encontrar más tipos de reacciones que la enamina y el ión iminio pueden acelerar.
• Procesos químicos más respetuosos con el medio ambiente; los organocatalizadores, la mayoría de las veces, son no tóxicos y/o fácilmente reciclables.

Logros de los Organocatalizadores

Un ejemplo de cuánto pueden mejorar los organocatalizadores la industria química es la síntesis de estricnina.

La molécula venenosa (utilizada en veneno para ratas) se sintetizó por primera vez en 1952 mediante un proceso que requería 29 reacciones químicas. Solo el 0,0009 % del producto inicial se convirtió en la estricnina deseada.

En 2011, investigadores que usaron organocatálisis lograron reducir esto a solo 12 pasos y alcanzaron una tasa de conversión 7 000 veces más eficiente.

La producción masiva de productos orgánicos complejos extraídos actualmente de plantas o organismos de aguas profundas también puede ser importante, tanto para aumentar la disponibilidad como para reducir los precios de productos farmacéuticos esenciales.

Desarrollo Futuro

Fotocatálisis

La naturaleza nos brinda un gran ejemplo de organocatalizadores más allá de las enzimas: la fotosíntesis. Al combinar la capacidad de las moléculas orgánicas para mover electrones con la absorción de luz, la fotosíntesis es la fuente básica de energía para toda la biosfera terrestre.

Indirectamente, la fotosíntesis es incluso la fuente de los combustibles fósiles actuales, los bloques básicos usados por la industria petroquímica.

Con la necesidad de reducir las emisiones de carbono, una situación ideal sería desarrollar organocatalizadores que pudieran usar luz para producir energía, ya sea en forma de azúcar simple o hidrógeno.

De este modo, la luz solar se usaría directamente por el catalizador para impulsar la reacción química deseada, en lugar de ser primero absorbida por paneles solares, convertida en electricidad y luego utilizada en procesos como la electrólisis.

Esto podría reducir drásticamente los costos de los biocombustibles, un requisito si se quiere que sean económicamente competitivos frente a los combustibles fósiles.

Diseño de Moléculas con IA

Existen billones de diseños moleculares posibles, con solo una pequeña fracción estudiada de alguna forma.

El problema de usar computadoras para simular estas moléculas es que, si se confía puramente en la física y la mecánica cuántica, los cálculos se vuelven absurdamente complejos para cualquier cosa con más de 5‑10 átomos.

Actualmente, muchos sistemas de IA se están diseñando para “adivinar” la respuesta correcta en lugar de realizar un cálculo de fuerza bruta.

Esto puede generar nuevas moléculas y diseños potenciales que no podrían haberse adivinado de otro modo. Este método ya está dando frutos, por ejemplo con AlphaFold de Google para el plegamiento de proteínas, predicciones sobre la actividad antibiótica de nuevas moléculas, o el programa AI4Science de Microsoft (MSFT ).

Fuente: Microsoft

Es probable que muchos organocatalizadores aún estén por descubrirse, y que la IA pueda acelerar radicalmente estas innovaciones, como discutimos en “Cambiando la Línea de Tiempo de los Descubrimientos mediante el Uso de Inteligencia Artificial (IA)”.

Invertir en Organocatalizadores

Los organocatalizadores son una pieza clave de la industria química moderna. También un mercado en crecimiento, con una previsión de alcanzar un CAGR del 6,4 % hasta 2032.

Puede invertir en empresas de organocatalizadores a través de muchos corredores, y aquí, en securities.io, encontrará nuestras recomendaciones de los mejores corredores en EE. UU., Canadá, Australia, Reino Unido, así como muchos otros países.

Si no le interesa seleccionar empresas específicas de organocatalizadores, también puede considerar ETFs como el iShares STOXX Europe 600 Chemicals UCITS ETF (EXV7) o el Vanguard Materials ETF (VAW), que le proporcionarán una exposición más diversificada para capitalizar la industria química.

Empresas de Catalizadores

1. BASF (BASFY)

Un gigante de la industria química, BASF emplea a más de 110 000 personas en 11 divisiones agrupadas en 6 segmentos: Químicos, Materiales, Soluciones Industriales, Tecnologías de Superficie, Nutrición y Cuidado, y Soluciones Agrícolas.

Más del 20 % de la actividad proviene de químicos y plásticos y más del 20 % del transporte. También tiene una fuerte presencia en agricultura y bienes de consumo.

Fuente: BASF

La división de catalizadores de BASF emplea a más de 8 000 personas, con 30 sitios de fabricación.

La empresa invierte masivamente en I+D, con un gasto anual superior a 2 mil millones de dólares, distribuido en muchos sectores, pero con un fuerte enfoque en crear crecimiento en el sector agrícola (pesticidas, herbicidas y tratamiento de semillas).

Fuente: BASF

La experiencia en plásticos y otras manufacturas químicas se extiende a la nanoescala, destacándose con una posición de liderazgo en recubrimientos superficiales nanoparticulados, materiales porosos y polímeros.

Combinada con la experiencia en catalizadores, es probable que BASF se convierta en un centro de la futura economía basada en innovaciones en químicos, baterías, productos farmacéuticos, nanotecnología, biotecnología, etc.

2.  Schrödinger, Inc.

La compañía se especializa en modelos basados en la física para encontrar la mejor molécula posible para un objetivo dado, equilibrando métricas conflictivas como potencia, solubilidad, vida media, sintetizabilidad, etc.

También utiliza “machine learning” convencional, pero la incorporación de un modelo basado en la física le permite ser probado en campos totalmente novedosos para los que no existe un conjunto de datos para “entrenar” la IA. Esto permite a Schrödinger (SDGR ) pasar de 1 mil millones de moléculas potenciales a solo 8 candidatos sólidos en cuestión de días, exclusivamente mediante cálculos digitales.

Fuente: Schrodinger

Schrödinger firmó con Bayer un acuerdo de colaboración de 5 años en 2020 por ingresos de 10 M USD. El acuerdo es para usar la tecnología de Schrödinger junto con los modelos de predicción in‑silico de Bayer.

Otra asociación reciente es con Lilly en 2022, con hasta 425 M USD en pagos por hitos totales por descubrimientos exitosos.

Colaboraciones pasadas incluyeron a Takeda, Sanofi (SNW.DE ) (SNY ), Bristol‑Myers Squibb y otras compañías farmacéuticas más pequeñas.

En conjunto, Schrödinger está construyendo un portafolio en crecimiento, incluyendo cada vez más moléculas propietarias y de plena propiedad. Actualmente tiene 8 productos en su pipeline propietario, con 2 en fase I de ensayos clínicos. Y 23 productos en programas y colaboraciones asociadas, con 5 en fase I y 3 en fase II de ensayos clínicos.

Fuente: Schrodinger

Aunque no genera ingresos, la compañía aún no es rentable, enfocándose en la expansión y el gasto en I+D para mejorar su tecnología. No debería ser una preocupación seria a corto plazo, ya que la empresa cuenta con varios años de efectivo en su balance.

También está explorando la expansión a nuevos segmentos más allá del descubrimiento de fármacos, como biofármacos complejos o incluso materiales como químicos, baterías o polímeros.

Fuente: Schrodinger

Los inversores querrán vigilar las nuevas colaboraciones, ya que reflejarán los avances de la tecnología de Schrödinger, evaluados por los líderes de la industria a partir de datos confidenciales, así como el posible éxito en expandir la tecnología central a nuevos mercados.

Con los organocatalizadores y la química orgánica en general asumiendo un papel cada vez mayor, los modelos de IA como los de Schrödinger jugarán un papel creciente en el desarrollo de nuevas moléculas y en la optimización de procesos de fabricación química, a menudo con décadas de antigüedad.