28.03.2022 - Tsinghua University

Un nuevo método de catalizador sinérgico de un solo átomo rompe la limitación de actividad de sus predecesores

Aunque el catalizador sinérgico desarrollado no elimina la necesidad de metales nobles, sí reduce la cantidad necesaria para una mejor reacción

La clave de las reacciones químicas está en el nombre: tiene que haber algo que haga que las sustancias químicas reaccionen entre sí. Denominado catalizador, este componente induce o acelera las reacciones de forma controlada para producir el resultado deseado. Los catalizadores utilizados en varias industrias suelen estar compuestos por metales nobles, que no son lo suficientemente eficaces como para compensar su elevado coste. Para resolver este problema en la reacción química de adición de hidrógeno, llamada hidrogenación, a la quinoleína, una molécula importante en la producción farmacéutica, unos investigadores con sede en China han desarrollado un catalizador muy eficaz compuesto por nanopartículas sinérgicas y átomos individuales de iridio. Publicaron su método el 22 de marzo en Nanoinvestigación.

"La hidrogenación selectiva de la quinoleína y sus derivados para obtener los productos correspondientes tiene amplias aplicaciones en la industria de la química fina y farmacéutica", afirma el coautor Changyan Cao, investigador del Instituto de Química de la Academia China de Ciencias (ICCAS) y de la Universidad de la Academia China de Ciencias (UCAS). "Las quinolinas son una clase importante de compuestos para acceder a productos de tetrahidroquinolina que se encuentran ampliamente en las moléculas de los fármacos, pero normalmente se necesitan catalizadores de metales nobles para producir esta reacción. Por ello, es muy importante mejorar la actividad y la eficiencia de utilización de los metales nobles debido a su elevado precio."

Los investigadores se centraron en los catalizadores de un solo átomo, que, según Cao, se han convertido en un tema candente en el campo de la catálisis debido a que pueden fusionar las ventajas de los catalizadores homogéneos y heterogéneos. Los catalizadores homogéneos favorecen una reacción uniforme, pero los heterogéneos pueden inducir una reacción de mayor rendimiento. El problema, según Cao, es que los catalizadores monoatómicos carecen de un enlace metal-metal. Sin este enlace con el que fusionarse, el hidrógeno se ve obligado a seguir una vía diferente que da lugar a una menor hidrogenación global.

"Dado que el hidrógeno se disocia en pares de unión con mayor facilidad en las nanopartículas de metales nobles -a átomos de hidrógeno, por ejemplo- y que es bien sabido que los átomos de hidrógeno se dispersan, planteamos la hipótesis de que los átomos de hidrógeno formados en las nanopartículas de metal también podrían migrar a los sitios de metal único para la hidrogenación", dijo Cao, explicando que la actividad de hidrogenación inicial entre el catalizador propuesto y el sustrato produciría esencialmente una fase secundaria de átomos de hidrógeno capaz de continuar el proceso de catálisis. "Con este diseño, se podrían resolver los problemas mencionados".

Para diseñar dicho catalizador, los investigadores dispersaron átomos individuales de iridio -el metal noble de mayor actividad intrínseca notificada para la hidrogenación de la quinoleína- y nanopartículas en un soporte de carbono. Cuando se aplicó la quinolina, la reacción resultó más eficaz que cuando se utilizaron sólo átomos de iridio o sólo nanopartículas.

"La construcción de un catalizador sinérgico cambia la trayectoria de la reacción para aprovechar los sitios de un solo átomo en la activación del sustrato y las nanopartículas en la disociación del hidrógeno", dijo el coautor Weiguo Song, profesor del ICCAS y la UCAS. "Todas estas características juntas contribuyen a mejorar mucho el rendimiento de la hidrogenación en comparación con el catalizador de un solo átomo y el catalizador de nanopartículas por separado".

Aunque el catalizador sinérgico desarrollado no elimina la necesidad de metales nobles, sí reduce la cantidad necesaria para una mejor reacción.

"Propusimos y confirmamos una estrategia eficaz para potenciar la actividad catalítica de la hidrogenación de la quinoleína mediante la construcción de un catalizador sinérgico de átomos individuales de iridio y nanopartículas, que resuelve las limitaciones de actividad de los catalizadores de átomos individuales", dijo Song. "A continuación, ampliaremos nuestra investigación a otros catalizadores metálicos y reacciones de hidrogenación para demostrar la universalidad de la catálisis sinérgica".

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