08.10.2020 - RUDN University

Químico creó un catalizador a partir de dióxido de silicio y niobio para acelerar reacciones 24 veces en la petroquímica

Las reacciones de alquilación se utilizan en la petroquímica para obtener gasolina de automóvil de alto octanaje. Un químico de RUDN University encontró un método para acelerar la alquilación 24 veces, para ello creó un catalizador a base de dióxido de silicio y niobio. Los resultados del estudio fueron publicados en la revista Molecular Catalysis.

El proceso de alquilación es el reemplazo de un átomo de hidrógeno en un compuesto orgánico con otras sustancias, es decir, agentes alquilantes. Este proceso se utiliza en las industrias química y petroquímica, por ejemplo, para obtener gasolina de automóvil de alto octanaje. Para que la alquilación ocurra de forma rápida y eficiente, se necesitan catalizadores como ácidos minerales y zeolitas, minerales que sean capaces de liberar y reabsorber sustancias de manera selectiva. Los ácidos minerales como el sulfúrico o el fosfórico pueden ser costosos y peligrosos de usar; se requieren reactivos adicionales para separarlos de la reacción y deben ser manipulados con cuidado. Las zeolitas son seguras y económicas de fabricar, pero su estructura microporosa impone restricciones al tamaño de las moléculas con las que pueden interactuar. Un químico de RUDN University ha creado un catalizador, el cual no presenta estos inconvenientes y permite acelerar la reacción de alquilación 24 veces. Para ello, una forma porosa del dióxido de silicio (SBA-15) y niobio fue utilizada.

"Los materiales tipo SBA-15 son relevantes como soportes de catalizadores debido a su elevada área superficial y el tamaño de los poros. Decidimos evaluar las propiedades de varios catalizadores mesoporosos del tipo SBA-15 y óxido de niobio, los cuales fueron obtenidos usando un método mecanoquímico con diferentes contenidos metálicos", expresó Rafael Luke, PhD, jefe del Centro de Investigación "Diseño Molecular y Síntesis de Compuestos Innovadores para la Medicina" de RUDN University.

Los químicos notaron que los compuestos de niobio exhiben propiedades ácidas y redox, que son importantes para un catalizador, por esta razón decidieron usar niobio para las reacciones de alquilación. Para ello, los químicos aplicaron nanopartículas de óxido de niobio al mineral "soporte". El contenido de metal en el material resultante osciló de 0.5% a 1%. Antes de esto, los químicos trituraron el niobio hasta conseguir una dimensión de algunos nanómetros mediante un método mecanoquímico, usando "molinos". El tamaño de las partículas metálicas fue controlado usando un microscopio electrónico de transmisión y, mediante espectroscopía de rayos X por dispersión en energía, observaron que las partículas se distribuyeran uniformemente sobre la superficie del mineral.

Para evaluar la capacidad catalítica del material, los químicos de RUDN University llevaron a cabo una reacción de alquilación de tolueno con alcohol bencílico y cloruro de bencilo. El alcohol bencílico y el cloruro de bencilo actuaron como agentes alquilantes. Los químicos establecieron que agregar partículas de niobio tiene un efecto positivo: el tiempo de la reacción se redujo de 4 horas a 10 minutos. En este caso, el catalizador con un contenido de niobio menor (0.5%) resultó ser más eficaz. Los químicos explican lo ocurrido de esta manera: durante la síntesis del catalizador, el óxido de niobio se depositó sobre las partículas minerales. Mientras más niobio hubiese (1%), entonces las partículas finales del catalizador también resultaban ser más grandes. Esto redujo el área de contacto efectiva y finalmente redujo la catálisis del material.

"Logramos desarrollar un catalizador, el cual reduce el tiempo de la reacción de alquilación de varias horas a 10 minutos, sin las limitaciones químicas que tienen las zeolitas y es seguro en comparación con los ácidos inorgánicos", comentó Rafael Luke, PhD, jefe del Centro de Investigación "Diseño Molecular y Síntesis de Compuestos Innovadores para la Medicina", RUDN University.

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