Química sostenible: el hierro sustituye a los metales preciosos en catálisis
Los investigadores desarrollan una fuente de hierro(I) para reacciones catalíticas con el fin de hacer más sostenibles los procesos químicos
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Muchos productos cotidianos e industriales se crean con la ayuda de catalizadores químicos, como los productos farmacéuticos, los plásticos y los revestimientos. Para ello se suelen utilizar metales preciosos, caros y limitados. Investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) han presentado ahora el primer compuesto de hierro que es estable en el aire, hace que el hierro(I) pueda utilizarse directamente en catálisis y, a diferencia de lo que ocurría hasta ahora, no requiere fuertes agentes reductores. En una prueba inicial, se crearon catalizadores de hierro activos a partir de él. Resultados en el Journal of the American Chemical Society.
Los catalizadores se encargan de que las reacciones químicas se produzcan más rápidamente o sean posibles en primer lugar. En los procesos establecidos, esta tarea la realizan metales preciosos como el rodio, el iridio o el paladio. Son muy adecuados para muchas aplicaciones, pero son caros y escasos. "Nuestra investigación se centra en alternativas sostenibles y respetuosas con el medio ambiente a los catalizadores de metales preciosos", explica el Dr. Oliver Townrow, del Instituto de Nanotecnología del KIT. "El hierro es el cuarto elemento más común en la corteza terrestre y puede realizar tareas similares a las de los metales preciosos en determinadas reacciones catalíticas".
Estabilizar el hierro reactivo
En el centro del trabajo se encuentra una fuente modular de hierro(I) preactivado para catálisis. El número romano describe el estado electrónico del metal. El hierro suele estar presente en los compuestos químicos como hierro(II) o hierro(III). Sin embargo, el hierro(I) es especialmente adecuado para determinadas reacciones catalíticas porque puede aceptar o liberar electrones con mayor facilidad. Esto permite otras vías de reacción.
Hasta ahora, no existía ningún compuesto de partida comparativamente estable que permitiera disponer directamente de hierro(I) para aplicaciones catalíticas. Por ello, los investigadores a menudo tenían que generar esta forma de hierro durante la reacción utilizando sustancias adicionales. Estos agentes reductores aportan hierro a la forma reactiva deseada, pero también pueden modificar otros componentes. "Esto hace difícil controlar exactamente qué compuesto de hierro se produce en la reacción y cómo reacciona posteriormente", explica Luise Kink, primera autora del estudio y estudiante de química en el KIT. "Con nuestro enfoque, ahora podemos utilizar esta forma reactiva del hierro de forma más fiable".
Producir y probar nuevos compuestos de hierro
En sus experimentos, el equipo produjo inicialmente hierro(I) como un compuesto independiente fuera de la catálisis propiamente dicha: el hierro se asentaba entre dos hidrocarburos en forma de anillo, llamados moléculas Duren, que estabilizan el metal reactivo. De este modo, el hierro(I) sensible permanece lo suficientemente estable frente al oxígeno atmosférico y la humedad como para ser utilizado en reacciones posteriores.
A continuación, los investigadores sustituyeron específicamente el duren por otras moléculas para producir diversos compuestos de hierro(I). Los analizaron mediante análisis de estructuras de rayos X, métodos espectroscópicos y mediciones magnéticas, entre otras cosas. En una prueba catalítica inicial, también demostraron que se puede producir un catalizador de hierro activo a partir del nuevo compuesto.
Seguir desarrollando catalizadores de hierro
El nuevo compuesto de hierro(I) sienta las bases para otras aplicaciones. Los investigadores pueden ahora probar de forma más sistemática qué variantes son adecuadas para determinadas reacciones catalíticas. "Nuestro resultado demuestra que podemos preparar mejor el hierro(I) para la catálisis y utilizarlo de forma más controlada que antes", afirma Townrow. "A largo plazo, nuestro enfoque debería ayudar a sustituir los metales preciosos por hierro en las aplicaciones industriales".
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