La fuerza mecánica como una nueva forma de iniciar las reacciones químicas
Los investigadores han demostrado que la fuerza mecánica puede iniciar reacciones químicas, haciéndolas más baratas, de aplicación más amplia y más respetuosas con el medio ambiente que los métodos convencionales.
Mezclas de reacción antes y después de la molienda en un molino de bolas. Las reacciones de arilación de Mechanoredox ocurrieron con sales de aril diazonio y furano en presencia de un material piezoeléctrico (BaTiO3).
Kubota K. et al. Science, December 19, 2019
Las reacciones químicas son más convencionalmente impulsadas por el calentamiento de las mezclas de reacción. En los últimos diez años, se han realizado amplias investigaciones sobre "catalizadores photoredox" que pueden ser activados por la luz visible y permiten reacciones químicas altamente específicas y eficientes. Sin embargo, estas reacciones a menudo requieren una gran cantidad de disolventes orgánicos nocivos, por lo que sólo son aplicables a los reactivos solubles.
Los "materiales piezoeléctricos" como el titanato de bario son conocidos por generar potenciales eléctricos cuando se les aplica una presión mecánica, por lo que se utilizan en micrófonos y encendedores. En el estudio actual publicado en Science, el equipo de investigación dirigido por Hajime Ito y Koji Kubota del Instituto de Diseño y Descubrimiento de Reacciones Químicas (WPI-ICReDD) de la Universidad de Hokkaido demostró que este potencial eléctrico también puede utilizarse para activar reacciones químicas. "En nuestro sistema, utilizamos la fuerza mecánica proporcionada por un molino de bolas para activar un material piezoeléctrico para las reacciones redox, eliminando al mismo tiempo el uso de disolvente orgánico", dice Koji Kubota. Lo llaman reacción mecanorreductora en vez de reacción fotorreductora.
El equipo demostró que los potenciales eléctricos derivados del material piezoeléctrico (BaTiO3) activan un compuesto llamado sales de arilo diazonio que generan radicales altamente reactivos. Los radicales se someten a reacciones de formación de enlaces como las reacciones de arilación y borylación - ambas importantes en la química sintética - con alta eficiencia. El equipo también demostró que la reacción de biorrelación podía ocurrir golpeando la mezcla en una bolsa de plástico con un martillo.
"Este es el primer ejemplo de reacciones de arilación y biorrelación que utilizan la piezoelectricidad inducida mecánicamente", dice Koji Kubota. "Nuestro sistema libre de disolventes que utiliza un molino de bolas nos ha permitido eliminar los disolventes orgánicos, haciendo las reacciones más fáciles de manejar, más respetuosas con el medio ambiente y aplicables incluso a los reactivos que no pueden disolverse en el disolvente de la reacción". También podrían reciclar el titanato de bario y lograr mejores rendimientos que las reacciones de fotodox, aumentando aún más el atractivo de este enfoque.
"Ahora estamos explorando la sintonía del potencial eléctrico generado mecánicamente. Junto con las predicciones computacionales, pretendemos ampliar la aplicabilidad de esta técnica", dice Hajime Ito. "Nuestro objetivo es complementar o al menos reemplazar parcialmente los enfoques existentes de photoredox y proporcionar una alternativa ecológica y rentable para ser usada en la síntesis orgánica industrial".
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