Con superácidos contra químicos perpetuos
La Universidad Técnica de Berlín produce "ácidos de Lewis" a base de silicio que pueden atacar los PFAS químicos problemáticos
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Investigadores del Clúster de Excelencia en catálisis UniSysCat de la Universidad Técnica de Berlín han logrado producir por primera vez una clase de los llamados superácidos de Lewis que contienen el elemento silicio y un átomo halógeno. Estos compuestos se encuentran entre los ácidos de Lewis más potentes producidos hasta la fecha y también pueden romper enlaces químicos muy estables. Esto los hace muy interesantes para los procesos de reciclado y el concepto de química verde, por ejemplo para la degradación de las nocivas sustancias alquiladas per- y polifluoradas (PFAS), también conocidas como "sustancias químicas perpetuas". La especialidad: Estos ácidos de Lewis no se consumen en un proceso cíclico dentro de la reacción de degradación, por lo que podrían actuar como catalizadores en el futuro. Los resultados se publicaron en la revista Nature Chemistry.
Una y otra vez se descubren en Alemania lugares contaminados con altas concentraciones de PFAS (imagen simbólica).
Los PFAS no pueden olerse ni saborearse y se sospecha que provocan cáncer, hacen infértiles a las personas y debilitan el sistema inmunitario. Una vez liberados en el medio ambiente, permanecen allí durante mucho tiempo porque el agua, la luz o las bacterias no pueden descomponerlos rápidamente. Precisamente porque los PFAS son tan persistentes, se utilizan de muchas formas distintas, por ejemplo en impermeabilizantes, sartenes o materiales de construcción. Y una y otra vez se descubren en Alemania zonas contaminadas con altas concentraciones de PFAS.
Los superácidos de Lewis pueden romper compuestos PFAS estables
"La resistencia de los PFAS está directamente relacionada con sus enlaces estables carbono-flúor, que son muy difíciles de romper", explica el Prof. Dr. Martin Oestreich, titular de una cátedra Einstein en la TU de Berlín y jefe del departamento de "Química Orgánica/Síntesis y Catálisis" y miembro de UniSysCat. Se trata sobre todo del llamado enlace de par de electrones entre los átomos de flúor y carbono de los PFAS, que es especialmente fuerte. "Para que los PFAS sean inocuos, se necesita una sustancia que acepte fácilmente pares de electrones", explica Oestreich. Estas sustancias se denominan "superácidos de Lewis". El nombre "ácido de Lewis" no se refiere a ningún compuesto químico concreto -como el ácido clorhídrico, el ácido sulfúrico, etc.-, sino a un concepto especial de la química que define los términos "ácido" y "base". Fue desarrollado en 1923 por el físico-químico estadounidense Gilbert Newton Lewis.
Loca codicia de electrones
"Además de dos residuos orgánicos, nuestros superácidos de Lewis contienen principalmente un átomo de silicio que también lleva un halógeno, como un átomo de flúor. Esto provoca una avidez insana de pares de electrones", explica Oestreich. La combinación del átomo de silicio, ya de por sí ávido de electrones, y el flúor, fuertemente atractor de electrones, es crucial: "El flúor también tira de los electrones exteriores restantes del silicio, igual que yo me envuelvo completamente en el edredón por la noche cuando mi mujer y yo pasamos la noche en una cama francesa". La falta de electrones provoca en el silicio un hambre extrema de pares de electrones, lo que lo convierte en el atacante perfecto de los PFAS.
La producción es compleja
Hasta hace poco, estos superácidos de Lewis con silicio y halógenos sólo se predecían en teoría. Y es que su producción es todo menos sencilla. En 2021, científicos de la Universidad Técnica de Berlín lograron un gran avance al utilizar por primera vez el proceso de "protolisis" para producir superácidos de Lewis, en el que se separan grupos químicos individuales de un compuesto en un ciclo para sintetizar uno nuevo. "En pocas palabras, el objetivo aquí es transferir procesos probados de la química del carbono a la química del silicio. En principio, ahora estamos recogiendo los frutos de nuestra idea original", explica Martin Oestreich. Los experimentos fueron complejos porque todo el trabajo tuvo que realizarse en una "caja de guantes" bajo una atmósfera de gas inerte; no se permitió que ni el oxígeno ni el agua entraran en contacto con las sustancias.
Comprensión mecánica cuántica completa de los compuestos por primera vez
"Estoy especialmente en deuda con el profesor Martin Kaupp, jefe del departamento de 'Química Teórica/Química Cuántica' de la TU de Berlín, sin cuyos cálculos este trabajo no habría sido posible", afirma Oestreich. Por primera vez se utilizaron cálculos de mecánica cuántica para predecir la acidez de las moléculas producidas únicamente a partir de su estructura. "Tenemos una comprensión mecánica cuántica completa de los compuestos, lo que supone una enorme ventaja". A continuación, los superácidos de Lewis se analizaron experimentalmente mediante espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN), entre otros métodos, y se verificaron los cálculos.
Los superácidos de Lewis no se consumen como catalizadores
La particularidad de la degradación de los PFAS nocivos: aunque los superácidos de Lewis se modifican mediante la absorción de pares de electrones cuando se descompone un compuesto, es probable que puedan volver a transformarse en el superácido de Lewis original en un proceso de regeneración. Esto los convierte en catalizadores que se agotan en la reacción pero se recuperan. Se trata de una gran ventaja, ya que entonces no se necesitan grandes cantidades de un "antídoto" para descomponer la contaminación por PFAS; en su lugar, bastarían cantidades muy pequeñas de los nuevos superácidos de Lewis para volver inofensivas las sustancias químicas eternas.
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 Alemán se puede encontrar aquí.
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