05.02.2020 - Northwestern University

Acelerar las reacciones químicas sin contacto directo con un catalizador

Un equipo de investigación de la Universidad de Northwestern ha revelado un nuevo enfoque para llevar a cabo las reacciones químicas - uno que no requiere el contacto directo con un catalizador.

En las reacciones catalíticas típicas, el catalizador - la sustancia que aumenta la velocidad de una reacción química - y los reactivos del sustrato deben estar presentes en el mismo medio y en contacto directo entre sí para producir una reacción. El nuevo sistema del equipo de investigación demuestra una reacción química producida a través de un intermediario creado por una reacción química separada. Los hallazgos podrían tener aplicaciones en la remediación del medio ambiente y la producción de combustible.

"Mejorar nuestra comprensión de la relación catalizador-intermediario-reacción podría ampliar enormemente las posibilidades de las reacciones catalíticas", dijo Harold Kung, Profesor Walter P. Murphy de Ingeniería Química y Biológica en la Escuela de Ingeniería McCormick, quien dirigió la investigación. "Al aprender que una reacción química puede proceder sin contacto directo con un catalizador, abrimos la puerta al uso de catalizadores de elementos abundantes en la tierra para realizar reacciones que normalmente no catalizarían".

El estudio, titulado "Noncontact Catalysis: Initiation of Selective Ethylbenzene Oxidation by Au Cluster-Facilitated Cyclooctene Epoxidation", se publicó en Science Advances. Mayfair Kung, un profesor investigador asociado de ingeniería química y biológica, fue un autor corresponsal en el trabajo. Linda Broadbelt, Catedrática Sarah Rebecca Roland de Ingeniería Química y Biológica y decana adjunta de investigación, también contribuyó al estudio.

La investigación se basa en trabajos anteriores en los que el equipo investigó la oxidación selectiva del cicloocteno -un tipo de hidrocarburo- utilizando el oro (Au) como catalizador. El estudio reveló que la reacción fue catalizada por nanoclusters de oro disueltos. Sorprendidos, los investigadores se propusieron investigar lo bien que los cúmulos de oro podían catalizar la oxidación selectiva de otros hidrocarburos.

Utilizando una plataforma que desarrollaron llamada Sistema de Catálisis sin Contacto (NCCS), los investigadores probaron la efectividad de un catalizador de oro contra el etilbenceno, un compuesto orgánico que prevalece en la producción de muchos plásticos. Si bien el etilbenceno no sufrió ninguna reacción en presencia de los cúmulos de oro, el equipo descubrió que cuando los cúmulos de oro reaccionaron con el ciclooctano, la molécula resultante proporcionó el intermediario necesario para producir la oxidación del etilbenceno.

"Las dos reacciones son totalmente independientes la una de la otra", dijo Kung. "Vimos que los nanoclusters de oro y el cicloocteno eran ineficaces para oxidar el etilbenceno por sí mismos. El contacto directo no causó que la reacción procediera. Por lo tanto, la reacción intermedia era necesaria".

Al demostrar cómo se puede hacer que los catalizadores normalmente ineficaces sean eficaces en una reacción a través de un intermediario, los investigadores creen que es posible diseñar sistemas que utilicen catalizadores que estén físicamente separados de un medio de reacción que, de otro modo, dañaría el catalizador. Este nuevo enfoque podría proporcionar una solución eficaz para la recuperación del medio ambiente, como la limpieza de un río contaminado, donde algunos componentes del agua pueden ser venenosos para el catalizador.

"Se podría utilizar una membrana para separar el catalizador del medio, y luego utilizar el catalizador para generar un intermediario que pueda pasar a través de la membrana y degradar el contaminante de una manera más segura", dijo Kung.

El trabajo también abre la puerta a una mayor libertad en la producción química industrial. La capacidad de llevar a cabo reacciones paralelas acopladas sin las limitaciones de la estequiometría tradicional -las estrictas relaciones basadas en la cantidad entre los productos de la reacción- podría hacer que los procesos industriales de cooxidación de hidrocarburos fueran más versátiles, eficientes y rentables. Estos procesos son vitales en la producción de gasolina y la conversión de gas natural en combustible líquido y otros productos químicos.

El siguiente paso del equipo de investigación es determinar la reactividad del oro frente a otros hidrocarburos de diferente fuerza de enlace. También esperan saber si un fenómeno similar puede aplicarse a otros metales, como la plata o el cobre.

"Todavía no hemos llegado a eso, pero una vez que entendamos la relación entre la reactividad de los cúmulos de oro hacia los hidrocarburos y la fuerza de los enlaces, podremos predecir y diseñar otros sistemas de reacción química", dijo Kung.

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