Catálisis eficiente con menos metal
Investigadores del ISTA desarrollan un catalizador de níquel activado por luz para la formación de enlaces químicos
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Los productos farmacéuticos, los productos químicos de alta pureza y los agroquímicos se producen industrialmente mediante una amplia gama de reacciones químicas. Es necesario que estos procesos sean más eficientes, menos costosos y más sostenibles. El grupo de Pieber, del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA), ha dado ahora un paso en esta dirección. En la revista *Nature Catalysis*, los investigadores presentan un nuevo catalizador de níquel que puede activarse con luz visible para formar de manera eficiente una amplia variedad de enlaces químicos.
Tras una pared de cristal en el laboratorio de Pieber, en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA), unas lámparas LED azules iluminan pequeños recipientes de reacción. La luz no es simplemente iluminación: proporciona la energía que alimenta un catalizador de níquel para impulsar reacciones químicas.
En un nuevo estudio publicado en *Nature Catalysis*, el grupo de investigación dirigido por Bartholomäus Pieber demuestra que un catalizador de níquel cuidadosamente diseñado puede hacer que la síntesis química impulsada por la luz sea más versátil y más eficiente.
Pieber y los miembros de su equipo, Aleksander Bena, Trisha Banik, Christos Giannoudis, Florian Ortis, Haralds Baunis y Gayathri Palissery (todos del ISTA), en colaboración con Daniel Bím, de la Universidad de Química y Tecnología de Praga, han desarrollado un nuevo sistema catalítico que une de forma selectiva y eficiente los componentes químicos utilizando cantidades muy pequeñas de níquel.
Activando el níquel con luz
Los medicamentos no crecen en los árboles: se producen mediante procesos químicos de múltiples pasos. Esto requiere una amplia gama de reacciones diferentes. Una de las estrategias más utilizadas para construir estas moléculas es la química de acoplamiento cruzado, en la que dos bloques de construcción moleculares se unen mediante un nuevo enlace químico con la ayuda de un catalizador metálico.
Un catalizador es una sustancia que permite o acelera una reacción química sin consumirse ella misma. A menudo, se trata de átomos metálicos individuales unidos a moléculas orgánicas denominadas ligandos. Estos influyen en el comportamiento del metal y pueden diseñarse para ajustar con precisión sus propiedades catalíticas.
En muchas reacciones importantes de acoplamiento cruzado, el catalizador se basa en un átomo de paladio. La importancia de este hecho quedó reconocida con el Premio Nobel de Química de 2010, otorgado a Richard Heck, Ei-ichi Negishi y Akira Suzuki por su desarrollo de las reacciones de acoplamiento cruzado catalizadas por paladio en la síntesis orgánica. Estas reacciones han adquirido gran relevancia en la síntesis de moléculas complejas, incluidos los fármacos. Los catalizadores de paladio son muy eficientes, pero este metal noble también es escaso y caro, lo que supone un inconveniente importante.
Hace unos diez años, los primeros estudios demostraron que, en lugar del paladio, se podía utilizar la combinación de un catalizador de níquel con un segundo catalizador capaz de convertir la luz visible en «energía química». Esto podría hacer que estas reacciones resultaran más económicas y sostenibles. Pero hay un inconveniente: los catalizadores de níquel son menos eficientes y no permiten la misma variedad de reacciones que los de paladio.
«En nuestro laboratorio, intentamos comprender por qué los sistemas actuales de catálisis con níquel tienen limitaciones y, basándonos en ese conocimiento, diseñamos, fabricamos y estudiamos candidatos y métodos alternativos», explica Pieber.
El grupo dio un paso importante en 2020 al demostrar que las limitaciones de la catálisis con níquel pueden superarse. Los investigadores descubrieron que los catalizadores de níquel pueden destruirse al utilizar componentes básicos complejos y demostraron que esto puede evitarse controlando cuidadosamente las condiciones de la reacción. El enfoque funcionó, pero las reacciones eran muy lentas y requerían grandes cantidades de catalizadores de níquel.
«Por supuesto, eso aún estaba lejos de ser un método eficiente», afirma Pieber. «Pero fue una importante prueba de concepto y, en los últimos años, nuestra comprensión de estas reacciones catalíticas no ha dejado de mejorar».
Bena, estudiante de doctorado, utilizó estos conocimientos cada vez más amplios para diseñar posibles estructuras de catalizadores de níquel más eficientes y robustos que pudieran activarse directamente con luz visible, y puso a prueba sus ideas en el laboratorio. Esto llevó finalmente al equipo a descubrir un nuevo ligando que ayuda al níquel a superar algunas de las limitaciones que aún presenta la catálisis impulsada por la luz.
«Me gusta el reto de resolver un rompecabezas químico. Desarrollas una idea, la pones a prueba experimentalmente y aprendes algo de cada resultado», afirma Bena. Su perseverancia condujo finalmente a un nuevo sistema catalítico que tiene una amplia aplicabilidad y requiere una cantidad de níquel considerablemente menor.
Se formó un pequeño grupo de trabajo dentro del grupo de Pieber —integrado por Banik, Giannoudis, Ortis, Baunis y Palissery— para estudiar la aplicabilidad general del nuevo catalizador. El equipo demostró la versatilidad de su método al sintetizar más de 150 productos, que iban desde simples bloques de construcción hasta moléculas complejas y derivados de fármacos como la fluoxetina, uno de los antidepresivos más comunes y ampliamente recetados.
Un poco de níquel da para mucho
El avance se basa en un ligando diseñado a medida que potencia la actividad catalítica del átomo de níquel al activarse con luz visible. Esto permite que el nuevo catalizador establezca enlaces entre átomos de carbono, nitrógeno, oxígeno, azufre o fósforo, fusionando así dos moléculas en una estructura más grande y compleja.
«El resultado más llamativo fue que podemos establecer enlaces difíciles de forma eficiente con una cantidad muy pequeña de catalizador de níquel», afirma Bena.
Los investigadores lograron reducir la carga de catalizador a 100 partes por millón, es decir, un 0,01 mol %. En pocas palabras, esto significa que, en este experimento, una sola molécula de catalizador de níquel produce hasta 10 000 moléculas de producto.
Por lo tanto, su trabajo demuestra cómo comprender la reactividad fundamental de las moléculas a base de níquel puede ayudar a convertir un metal abundante en un catalizador más potente.
«Estas bajas cargas de catalizador solo se suelen conseguir con catalizadores a base de paladio. Poder lograrlo con un catalizador de níquel es realmente emocionante», explica Pieber. «La combinación de una baja carga de catalizador y una gran generalidad en muchos bloques de construcción podría hacer que este enfoque resultara especialmente interesante para la síntesis farmacéutica y de productos químicos finos».
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 Inglés se puede encontrar aquí.
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