01.06.2022 - Massachusetts Institute of Technology

Los nuevos catalizadores que funcionan con luz podrían ayudar a la fabricación

Al recubrir los tubos de plástico, los catalizadores podrían actuar sobre los productos químicos que fluyen a través de ellos, ayudando a sintetizar fármacos y otros compuestos

Las reacciones químicas impulsadas por la luz constituyen una poderosa herramienta para los químicos que diseñan nuevas formas de fabricar productos farmacéuticos y otros compuestos útiles. Para aprovechar esta energía luminosa se necesitan catalizadores fotorreductores, que pueden absorber la luz y transferir la energía a una reacción química.

Los químicos del MIT han diseñado un nuevo tipo de catalizador fotorreductor que podría facilitar la incorporación de reacciones impulsadas por la luz en los procesos de fabricación. A diferencia de la mayoría de los catalizadores fotorreductores existentes, la nueva clase de materiales es insoluble, por lo que puede utilizarse una y otra vez. Estos catalizadores podrían utilizarse para revestir tubos y realizar transformaciones químicas en los reactivos a medida que fluyen por el tubo.

"Poder reciclar el catalizador es uno de los mayores retos que hay que superar para poder utilizar la catálisis fotorreductora en la fabricación. Esperamos que, al poder hacer química de flujo con un catalizador inmovilizado, podamos ofrecer una nueva forma de hacer catálisis fotorreductora a mayor escala", afirma Richard Liu, postdoctoral del MIT y autor principal conjunto del nuevo estudio.

Los nuevos catalizadores, que pueden ajustarse para llevar a cabo muchos tipos diferentes de reacciones, también podrían incorporarse a otros materiales, como textiles o partículas.

Timothy Swager, catedrático de química John D. MacArthur en el MIT, es el autor principal del trabajo, que aparece en Nature Communications. Sheng Guo, investigador científico del MIT, y Shao-Xiong Lennon Luo, estudiante de posgrado del MIT, también son autores del trabajo.

Materiales híbridos

Los catalizadores fotorreductores funcionan absorbiendo fotones y utilizando esa energía luminosa para impulsar una reacción química, de forma análoga a como la clorofila de las células vegetales absorbe la energía del sol y la utiliza para construir moléculas de azúcar.

Los químicos han desarrollado dos clases principales de catalizadores fotorreductores, conocidos como catalizadores homogéneos y heterogéneos. Los catalizadores homogéneos suelen consistir en tintes orgánicos o complejos metálicos que absorben la luz. Estos catalizadores son fáciles de ajustar para llevar a cabo una reacción específica, pero el inconveniente es que se disuelven en la solución donde tiene lugar la reacción. Esto significa que no se pueden retirar fácilmente y volver a utilizar.

Los catalizadores heterogéneos, en cambio, son minerales sólidos o materiales cristalinos que forman láminas o estructuras 3D. Estos materiales no se disuelven, por lo que pueden utilizarse más de una vez. Sin embargo, estos catalizadores son más difíciles de ajustar para conseguir la reacción deseada.

Para combinar las ventajas de estos dos tipos de catalizadores, los investigadores decidieron incrustar los colorantes que componen los catalizadores homogéneos en un polímero sólido. Para esta aplicación, los investigadores adaptaron un polímero de aspecto plástico con poros diminutos que habían desarrollado previamente para realizar separaciones de gases. En este estudio, los investigadores demostraron que podían incorporar una docena de catalizadores homogéneos diferentes en su nuevo material híbrido, pero creen que podrían funcionar muchos más.

"Estos catalizadores híbridos tienen la capacidad de reciclaje y la durabilidad de los catalizadores heterogéneos, pero también la capacidad de ajuste preciso de los catalizadores homogéneos", afirma Liu. "Se puede incorporar el colorante sin que pierda su actividad química, por lo que, más o menos, se puede elegir entre las decenas de miles de reacciones fotorreductoras que ya se conocen y obtener un equivalente insoluble del catalizador que se necesita".

Los investigadores descubrieron que la incorporación de los catalizadores a los polímeros también les ayudaba a ser más eficientes. Una de las razones es que las moléculas reactivas pueden mantenerse en los poros del polímero, listas para reaccionar. Además, la energía de la luz puede viajar fácilmente a lo largo del polímero para encontrar los reactivos que esperan.

"Los nuevos polímeros unen las moléculas de la solución y las preconcentran para la reacción", dice Swager. "Además, los estados excitados pueden migrar rápidamente por todo el polímero. La movilidad combinada del estado excitado y la partición de los reactivos en el polímero hacen que las reacciones sean más rápidas y eficientes que las que son posibles en los procesos de solución pura."

Mayor eficacia

Los investigadores también demostraron que podían ajustar las propiedades físicas de la espina dorsal del polímero, incluidos su grosor y porosidad, en función de la aplicación para la que quisieran utilizar el catalizador.

Por ejemplo, demostraron que podían fabricar polímeros fluorados que se adhirieran a tubos fluorados, que suelen utilizarse en la fabricación de flujo continuo. Durante este tipo de fabricación, los reactivos químicos fluyen a través de una serie de tubos mientras se añaden nuevos ingredientes o se realizan otros pasos como la purificación o la separación.

En la actualidad, resulta difícil incorporar las reacciones fotorreductoras a los procesos de flujo continuo porque los catalizadores se agotan rápidamente, por lo que hay que añadirlos continuamente a la solución. La incorporación de los nuevos catalizadores diseñados por el MIT en los tubos utilizados para este tipo de fabricación podría permitir la realización de reacciones fotorreductoras durante el flujo continuo. El tubo es transparente, lo que permite que la luz de un LED llegue a los catalizadores y los active.

"La idea es que el catalizador recubra un tubo, de modo que se pueda hacer fluir la reacción a través del tubo mientras el catalizador permanece en su sitio. De este modo, el catalizador nunca acaba en el producto y se consigue una eficacia mucho mayor", afirma Liu.

Los catalizadores también podrían utilizarse para recubrir perlas magnéticas, facilitando su extracción de la solución una vez terminada la reacción, o para recubrir viales de reacción o tejidos. Los investigadores están trabajando ahora en la incorporación de una mayor variedad de catalizadores a sus polímeros y en la ingeniería de los mismos para optimizarlos para diferentes aplicaciones posibles.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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