Jaula con tapones: Confinamiento selectivo de hidratos de metales raros en moléculas anfitrionas
Los metales de tierras raras son indispensables para muchos productos técnicos, desde teléfonos inteligentes, ordenadores portátiles, baterías, electromotores y turbinas eólicas, hasta catalizadores. En la revista Angewandte Chemie, un equipo japonés ha presentado ahora una "jaula" molecular con "tapones" que puede utilizarse para "confinar" selectivamente ciertos iones de metales de tierras raras para su aislamiento o reciclaje.
© Wiley-VCH
Los elementos de tierras raras incluyen 17 metales: escandio, itrio, lantano y los lantánidos, los 14 elementos que siguen al lantano en la tabla periódica, incluidos el neodimio y el europio. El nombre es engañoso porque los metales de las tierras raras no son realmente raros. Están por todas partes en el medio ambiente, pero muy dispersos y unidos en minerales ("tierras"); los grandes depósitos son raros. La recuperación de estos elementos de los residuos electrónicos es cada vez más importante. Se han descubierto algunos microorganismos que contienen enzimas con metales de tierras raras. Podrían ser útiles en la extracción y recuperación y servir de inspiración para el uso de metales de tierras raras como catalizadores.
Los iones de metales raros también se encuentran en las masas de agua y en los efluentes. Sin embargo, son difíciles de separar individualmente de las soluciones acuosas. Una de las razones es que suelen estar hidratados, es decir, unidos a moléculas de agua. Sus estados de hidratación son diferentes y pueden cambiar. Esto dificulta la identificación y el aislamiento de los iones mediante su unión a ligandos.
Un equipo dirigido por Makoto Fujita, de la Universidad de Tokio y el Instituto de Ciencias Moleculares, ha conseguido ahora "confinar" las formas hidratadas de los iones trivalentes de una serie de metales de tierras raras en "jaulas" cerradas. Cada molécula de la jaula consta de cuatro ligandos orgánicos con forma de "placas" triangulares que se conectan por sus puntas a seis iones de paladio para formar una jaula octaédrica con dos grandes aberturas. El ion de tierras raras encaja en la jaula con sus nueve moléculas de agua unidas. La característica crítica de la jaula son sus dos "tapas" que cubren las aberturas. Se trata de moléculas planas con tres brazos cargados negativamente que se unen a las moléculas de agua del metal raro mediante puentes de hidrógeno. Además, se mantienen firmes gracias a las interacciones electrostáticas con los iones de paladio cargados positivamente en la jaula.
No todos los iones de metales raros son capturados por igual por este sistema. Las sutiles diferencias en sus radios y modos de hidratación preferidos determinan su capacidad para encajar en las jaulas: el lantano y los primeros lantánidos, como el europio, se unen con mucha más fuerza que los últimos lantánidos, como el iterbio. El escandio, por ejemplo, sólo tiene seis moléculas de agua unidas a él y no puede encontrar una posición estable dentro de la jaula. Por tanto, apenas se mantiene en su sitio.
El confinamiento de especies metálicas hidrofílicas en una cavidad cerrada podría ser un enfoque para el aislamiento de metales de tierras raras, así como para el desarrollo de nuevos catalizadores análogos a las enzimas que contienen metales (metalozimas) en los microorganismos.
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