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Investigadores del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) han demostrado la viabilidad de los catalizadores radicales de metales preciosos, considerados hasta ahora demasiado inestables para uso industrial. El trabajo, publicado en Nature Chemistry, abre la puerta al diseño de catalizadores más eficientes y a un uso más sostenible de los metales preciosos en la industria química.
Un catalizador de iridio en un matraz de Schlenk en atmósfera controlada. / Imagen: Jesús Campos
Los investigadores han creado un nuevo catalizador de iridio cuya configuración radical (también llamada de capa abierta) ha demostrado ser veinte veces más activa que su homóloga convencional. El proceso elegido para la prueba ha sido una reacción de isomerización de olefinas, una transformación ampliamente estudiada para la que ya se conocía la capacidad del iridio como catalizador.
Lo importante, sin embargo, no es la reacción utilizada ni la tasa de efectividad, sino que por primera vez se demuestra la viabilidad y superioridad de estas configuraciones radicales que, aunque comunes en otro tipo de metales, en el caso de los metales preciosos se consideraban demasiado inestables para su uso.
"Nuestro método demuestra que los catalizadores radicales de metales preciosos no solo son posibles, sino que tienen un futuro muy prometedor en el diseño de catalizadores más eficientes y económicos", resume Jesús Campos, autor principal del trabajo e investigador en el Instituto de Investigaciones Químicas (centro del CSIC en Sevilla en el que se ha realizado todo el trabajo experimental).
Estudios computacionales realizados en colaboración con la Universidad Complutense de Madrid revelaron que el ciclo catalítico de la isomerización era idéntico en ambos casos (catalizador radical y convencional), pero que la estructura radical reducía de manera significativa las barreras energéticas de los pasos críticos.
"Estos hallazgos podrían reducir los costes de procesos industriales clave, especialmente en el área de la química fina, en el que el uso de estos metales es predominante”, continúa Campos. “Supone un nuevo paradigma en la catálisis basada en metales preciosos”, apostilla.
De hecho, el grupo ha abierto una nueva línea de investigación para explorar estos sistemas radicales no solo con iridio, sino con otros metales preciosos como paladio, platino o rodio. “Queremos además explorar el uso de los sistemas radicales en procesos más complejos y comprobar si permiten hacer reacciones que no son posibles con las configuraciones convencionales”, adelanta el investigador.
Los catalizadores de metales preciosos son compuestos moleculares creados en laboratorio a partir de la unión de un metal de transición (los que se encuentran en el centro de la tabla periódica) y una molécula orgánica, que es la que le otorga y modula sus propiedades catalíticas.
El estudio ahora publicado ha demostrado que, en los metales preciosos, al igual que pasaba con otros metales, las estructuras electrónicas radicales o de capa abierta son más eficientes que las convencionales de capa cerrada.
Esto se debe a la mayor complejidad química de las configuraciones radicales: "Los catalizadores convencionales proporcionan rutas alternativas para las reacciones químicas; rutas que implican menores energías y son por ello más rápidas", explica Campos. "Los catalizadores metálicos radicales no solo proporcionan esas rutas alternativas, sino que la existencia en su estructura de capas electrónicas abiertas conlleva interacciones adicionales que disminuyen aún más la energía necesaria".
Estas capas abiertas hacen que los catalizadores radicales sean más efectivos, pero también más inestables y difíciles de controlar. De hecho, ya se habían creado algunas moléculas con configuraciones radicales de iridio, pero ninguna de ellas era lo suficientemente estable como para ser activas en catálisis. "La clave de nuestro desarrollo ha sido la elección de la parte orgánica del compuesto, que rodea al metal favoreciendo la comunicación electrónica continua a lo largo del catalizador y estabilizando así la configuración", detalla Campos.
Los catalizadores de metales preciosos se usan principalmente en procesos de química fina; es decir, los destinados a la producción de moléculas complejas y relativamente puras empleadas en compuestos agroalimentarios, principios activos de medicamentos o biocidas.
Estos metales preciosos (iridio, platino, rodio… pero también oro y plata) se encuentran entre los elementos más escasos del planeta, con concentraciones en la corteza terrestre de apenas una parte por millón.
La cantidad de metal usada en las reacciones no es muy alta y, además, los catalizadores no se consumen durante las reacciones químicas (aunque sí pueden inutilizarse). Aun así, la disponibilidad de estos materiales es limitada y su escasez se refleja en su coste. En este contexto, el desarrollo de alternativas más eficientes y que permitan utilizar una menor cantidad de metal es una prioridad para la industria.
