La luz y el níquel simplifican las reacciones químicas
Los investigadores desarrollan un método para planificar síntesis de forma fiable
Las reacciones de acoplamiento cruzado -transformaciones químicas en las que se unen dos fragmentos- son una valiosa herramienta en la síntesis de moléculas orgánicas. Sus aplicaciones abarcan desde el desarrollo de fármacos y la síntesis de moléculas naturales hasta la ciencia de materiales. A pesar de los muchos métodos conocidos, encontrar las condiciones adecuadas para nuevas reacciones sigue siendo un reto. Dados los numerosos factores que pueden afectar al resultado de la reacción, como la presencia o ausencia de moléculas ligando, precursores catalizadores, bases y otros aditivos, la optimización es una tarea tediosa. El aprendizaje automático y la inteligencia artificial son nuevos enfoques prometedores para predecir las condiciones óptimas de reacción, pero el entrenamiento de estos modelos también supone un esfuerzo considerable.
Reacciones fotocatalíticas en el laboratorio del Prof. König (Universidad de Ratisbona) con luz visible.
Prof. Dr. Burkhard König
Una solución a este problema que ahora han encontrado investigadores de la Universidad de Ratisbona en cooperación con el Instituto Zelinisky de Moscú adopta un enfoque completamente distinto: los parámetros de reacción se han reducido al mínimo y sólo se combinan los dos socios de reacción que se van a unir con una simple sal de níquel y un colorante orgánico bajo exposición a luz visible. No se añaden ligandos ni aditivos tradicionales para constreñir el catalizador de níquel (es decir, proporcionan múltiples canales para la reactividad catalítica), como ocurre en la mayoría de los métodos convencionales. En las condiciones de reacción, se forma una mezcla dinámica de muchos complejos metálicos, cuyo estado electrónico es ajustado por el fotocatalizador y la energía luminosa absorbida de tal forma que se inician las reacciones catalíticas. El principio es comparable a una hazaña de malabarismo, mediante la cual el fotocatalizador y la energía luminosa llevan repetidamente a los complejos metálicos a la forma catalíticamente activa, como cuando se lanzan pelotas hacia arriba al hacer malabares. Dado que la energía luminosa sólo es necesaria para activar los catalizadores y éstos son muy reactivos sin estabilización, son posibles reacciones rápidas y energéticamente eficientes. Los catalizadores que pierden su actividad (en la imagen del malabarismo, son pelotas caídas) se reparan continuamente con la energía luminosa, de modo que sólo se necesitan cantidades muy pequeñas del metal catalizador, el níquel. Los resultados de años de investigación se publican ahora en la revista científica "Nature".
Se han podido determinar las condiciones de reacción para todas las clases de moléculas, lo que permite planificar síntesis fiables. El nuevo principio de reacción se denomina catálisis homogénea dinámica adaptativa (AD-HoC, por sus siglas en inglés) y supone una importante contribución al desarrollo de reacciones químicas eficaces y eficientes desde el punto de vista energético y, por tanto, más sostenibles.
El proyecto lleva en marcha unos tres años. Durante este tiempo, se han llevado a cabo numerosos experimentos para seguir desarrollando y confirmando el descubrimiento central. La clasificación sistemática de los reactivos supuso un gran avance y un método analítico particular de los colaboradores rusos, la espectrometría de masas in situ, ayudó a comprender la naturaleza dinámica de los sistemas catalíticos. En futuros trabajos, el concepto se ampliará ahora a otros iones metálicos, como el cobre, el cobalto o el hierro, y a otros tipos de reacciones, como la activación de enlaces carbono-hidrógeno. Además, los investigadores creen que la previsibilidad de las condiciones de reacción, junto con la sencillez y la eficacia, permitirán utilizar este método en la industria, ya sea para la síntesis de principios activos farmacéuticos (API), que normalmente requiere una serie de pasos de optimización que requieren mucho tiempo, ya sea para la funcionalización de biomoléculas o para transformaciones sintéticas energéticamente eficientes a gran escala.
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