Personalización de catalizadores para reacciones en estado sólido

Químicos de la Universidad de Hokkaido y el Instituto para el Diseño y Descubrimiento de Reacciones Químicas (WPI-ICReDD) han desarrollado el primer catalizador de alto rendimiento diseñado y optimizado específicamente para la síntesis mecanoquímica de estado sólido.

El equipo descubrió que al unir moléculas de polímero largas a un catalizador metálico, podían atrapar el catalizador en una fase fluida, lo que permitía una reactividad eficiente a temperatura cercana a la ambiente. Este enfoque, informado en el Revista de la Sociedad Química Estadounidensepodría generar ahorros de costos y energía si se adapta para una amplia aplicación en la investigación química y la industria.

Las reacciones químicas sintéticas generalmente se realizan en solución, donde las moléculas disueltas pueden entremezclarse y reaccionar libremente. En los últimos años, sin embargo, los químicos han desarrollado un proceso llamado síntesis mecanoquímica, en el que se muelen juntos cristales y polvos en estado sólido. Este enfoque es ventajoso porque reduce el uso de solventes peligrosos y puede permitir que las reacciones avancen más rápido y a temperaturas más bajas, ahorrando costos de energía. También se puede utilizar para reacciones entre compuestos que son difíciles de disolver en los disolventes disponibles.

Sin embargo, las reacciones en estado sólido ocurren en un entorno muy diferente al de las reacciones en solución. Estudios anteriores encontraron que los catalizadores de complejo de paladio diseñados originalmente para su uso en solución a menudo no funcionaban lo suficiente en reacciones mecanoquímicas de estado sólido y que se requerían altas temperaturas de reacción. El uso del catalizador de paladio no modificado para reacciones en estado sólido resultó en una eficiencia limitada debido a la tendencia del paladio a agregarse a un estado inactivo. El equipo decidió embarcarse en una nueva dirección, diseñando un catalizador para superar este problema mecanoquímico de agregación.

«Desarrollamos una solución innovadora, vinculando el paladio a través de un ligando de fosfina especialmente diseñado con una molécula de polímero grande llamada polietilenglicol», explica el investigador Hajime Ito.

Las moléculas de polietilenglicol forman una región entre los materiales sólidos que se comporta como una fase fluida a nivel molecular, donde las reacciones mecanoquímicas de acoplamiento cruzado de Suzuki-Miyaura se desarrollan de manera mucho más eficiente y sin la agregación problemática del paladio. Además de lograr rendimientos de producto significativamente más altos, la reacción se llevó a cabo de manera efectiva cerca de la temperatura ambiente; la alternativa que anteriormente tenía el mejor desempeño requería calentamiento a 120 °C. Reacciones de acoplamiento cruzado similares se utilizan ampliamente en la investigación y la industria química.

«Esta es la primera demostración de un sistema que se modifica específicamente para aprovechar el potencial de los catalizadores complejos de paladio en el entorno único de una reacción mecanoquímica», dice el investigador Koji Kubota.

Creen que podría adaptarse a muchas otras reacciones, y también a catalizadores que utilicen otros elementos de los metales de transición de la tabla periódica.

La adopción más amplia del proceso, y otros similares, eventualmente podría generar ahorros significativos en los costos y el consumo de energía en los procesos químicos comerciales al tiempo que permite una producción a gran escala más respetuosa con el medio ambiente de muchos productos químicos útiles.