Ping-pong con fotones: la luz como herramienta para una química nueva y, sobre todo, sostenible
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En términos de avances en el conocimiento, la fotocatálisis se encuentra actualmente a la vanguardia de la química. En este campo, la Dra. Jola Pospech y su equipo del Instituto Leibniz de catálisis de Rostock están desarrollando nuevos enfoques para vías de reacción clásicas. Un ejemplo es la hidrofuncionalización de productos valiosos como las aminas bioactivas, que se encuentran de forma natural en los neurotransmisores y son importantes para la investigación farmacológica. En sus clases, la Dra. Pospech utiliza imágenes concisas para explicar la fotocatálisis a los estudiantes de primer curso.
La fotocatálisis requiere luz, y el grupo de investigación de la Dra. Jola Pospech utiliza a menudo luces de discoteca producidas en serie como fuente de luz en el laboratorio: luz negra. El curioso nombre hace referencia a los LED de la gama ultravioleta, la luz UV-A, que apenas es visible y es tan popular en odontología como en las discotecas.
"En nuestro caso, esta luz tiene la longitud de onda adecuada para desencadenar reacciones químicas", explica la Dra. Jola Pospech. "Apuntamos el panel LED al recipiente de reacción, donde los fotones chocan con los pares de electrones exteriores de las sustancias implicadas, en nuestro caso el catalizador, y éste entra en lo que se conoce como estado excitado". Esto significa que ahora es capaz de liberar o aceptar un electrón y activar así materiales químicos de partida. En última instancia, se forman nuevos compuestos químicos cuando las sustancias implicadas intercambian o comparten electrones.
Catálisis fotorreductora
Tomemos dos reacciones básicas en química: la oxidación y la reducción. En la oxidación, el catalizador dona un electrón y lo recupera al final del ciclo. A la inversa, para la reducción, acepta un electrón y lo libera de nuevo al final. "Puede imaginarse todo esto como una partida de ping-pong", dice la Dra. Pospech y lo explica mediante la catálisis fotorreductora, que combina ambas reacciones.
Jola Pospech: "Imagínese que lleva dos pelotas en el bolsillo del pantalón. Cuando hay un aumento de energía provocado por el fotón, una bola, es decir, un electrón, se desplaza al siguiente nivel superior". La mano de Jola Pospech se mueve con la bola imaginaria de su bolsillo por encima de su cabeza. "El bolsillo tiene ahora acceso y espacio para nuevos jugadores. Así es como se ponen en marcha las reacciones químicas. Una vez convertidos los materiales de partida, la pelota puede soltarse de la mano y el ciclo vuelve a empezar". La pelota imaginaria acaba de nuevo en el bolsillo del pantalón.
Ejemplo: Hidrofuncionalización
Durante siglos, la química funcionó de la siguiente manera: Los químicos calentaban sus recipientes de reacción para activar las sustancias que contenían. "Con la luz, puedo superar la barrera de activación mucho más rápido y con mucha más energía", afirma Jola Pospech. Gracias a la moderna tecnología LED, la longitud de onda de la fuente de luz puede ajustarse con precisión al espectro de absorción del catalizador.
Como ejemplo, la química cita la hidrofuncionalización, una popular vía de reacción que es muy "eficiente desde el punto de vista atómico": las sustancias implicadas se convierten hasta el último átomo, sin ningún subproducto. Así se obtienen productos valiosos como las aminas bioactivas, que se encuentran de forma natural en los neutransmisores y son importantes para el desarrollo de principios activos.
Hasta ahora, muchas de estas reacciones se han llevado a cabo utilizando catalizadores fabricados a partir de metales escasos y caros, con muchos pasos intermedios, co-catalizadores y los llamados reactivos de sacrificio. Jola Pospech: "Éstos sólo sirven para donar un electrón adicional de modo que otro electrón pueda cambiar de pareja en el punto apropiado de forma energéticamente favorable".
Catalizadores orgánicos como alternativa
Como alternativa, su grupo de investigación desarrolló catalizadores fotoredox orgánicos basados en nitrógeno, hidrógeno, oxígeno y carbono. "Los compuestos que utilizamos son baratos de producir, pueden activarse con precisión y rapidez utilizando luz negra y son mecánicamente multifuncionales". Esto hace que los co-catalizadores y los reactivos de sacrificio queden obsoletos.
Actualmente, los químicos de Rostock están dotando a este catalizador de una función selectiva mediante la incorporación de aminoácidos. Esto debería ayudar a producir moléculas diestras y zurdas en función de la luz. Para ello, el catalizador necesita un "sentido espacial", por así decirlo, información estereoscópica. Según la idea de Jola Pospech, los aminoácidos podrían transmitir esa información estereoscópica porque tienen estructuras tridimensionales definidas.
Según la Dra. Pospech, la industria está muy motivada para utilizar con fines industriales los resultados de la investigación básica. Al menos a largo plazo. "Todas las grandes empresas químicas tienen ahora departamentos de investigación sobre fotocatálisis y electroquímica". Por así decirlo, LIKAT está al tanto de todo.
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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