Radical en la Caja Negra

Los químicos revelan el secreto del negocio de un catalizador

16.10.2020 - Alemania

Los químicos del Instituto Leibniz de Catálisis de Rostock pudieron observar el funcionamiento molecular del catalizador en una reacción redox e identificar importantes pasos intermedios. Para ello acoplaron, por primera vez en el mundo, cuatro métodos de medición altamente modernos que funcionan en diferentes rangos de longitudes de onda: con radiación infrarroja, ultravioleta y de rayos X, así como con microondas en el campo magnético. De esta manera, descubrieron el mecanismo catalítico completo para la oxidación selectiva del alcohol bencílico en benzaldehído. Como producto químico básico, el benzaldehído, que huele intensamente a almendra amarga, se utiliza principalmente para perfumes y cosméticos.

Como ocurre a menudo en la química, esta reacción tiene lugar en una caja negra. Las materias primas, el catalizador y el disolvente se colocan en un recipiente de reacción donde reaccionan para formar el producto deseado, el benzaldehído. Hasta ahora está claro: La presencia del catalizador hace posible este proceso o al menos lo acelera. Pero cuál de sus componentes activa los materiales de partida, en qué orden, qué intermediarios reactivos se forman y cómo influyen en la reacción, todo esto permanece en la oscuridad.

El agente oxidante "verde"

Sin embargo, esta información es esencial para el diseño de un catalizador específico. Para la oxidación a benzaldehído, la industria suele utilizar oxidantes como el cromato o el hipoclorito, que son problemáticos para el medio ambiente y cuya eliminación es costosa. Por esta razón, los investigadores de todo el mundo están experimentando en el laboratorio con el oxígeno, O2, como un oxidante más elegante. Lamentablemente, sólo están obteniendo resultados inadecuados en términos de rendimiento. El objetivo es, por lo tanto, mejorar el catalizador, para lo cual es mejor observarlo de cerca en su trabajo, por así decirlo.

Tres ojos ven más que dos: seguimiento de una reacción catalítica con tres microscopios diferentes en las mismas condiciones en tiempo real

Se obtiene información que ninguno de los métodos por sí solo podría revelar

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Esta es la especialidad de la Prof. Dra. Angelika Brückner, jefa del departamento de investigación "Estudios in situ de catalizadores" y de su jefe de grupo, el Dr. Jabor Rabeah. Ellos excitan las muestras con radiación de diferente energía y longitud de onda. Las absorciones específicas de todas las especies implicadas permiten sacar conclusiones sobre sus propiedades, como los estados de oxidación o las situaciones de unión, y por tanto también sobre su función y su papel en el proceso químico.

Altamente complejo y simultáneo

En el centro de la reacción redox que se está investigando se encuentra un complejo de cobre estabilizado por un ligando orgánico, hasta cierto punto la armadura del catalizador. El catalizador también incluye un agente auxiliar, en este caso un radical llamado TEMPO, un término derivado del acrónimo de su estructura química: TEtrametilPiperidinilOxilo.
Así pues, el catalizador consta de tres componentes, más el material de partida y el agente oxidante O2. Este "sistema complejo", como dicen Brückner y Rabeah, se aborda mejor con varios métodos diferentes. El obstáculo aquí era que estas mediciones debían hacerse en el mismo recipiente de reacción, en el mismo experimento, es decir, simultáneamente. Angelika Brückner: "Sólo de esta manera podemos garantizar condiciones experimentales idénticas. La realización de los análisis de forma individual y en secuencia siempre implica ciertas diferencias en las condiciones de reacción, lo que dificultaría la comparación de los resultados".

Para las mediciones paralelas, los investigadores eligieron inicialmente rayos infrarrojos y rayos UV algo más energéticos, así como la espectroscopia de resonancia paramagnética de electrones (EPR), que detecta los electrones no apareados. Por ejemplo, había que aclarar el papel del excipiente TEMPO, que tiene un electrón tan desparejado, lo que lo hace altamente reactivo por un lado e introduce el término "radical" por el otro.

Cooperación con SOLEIL, París

De hecho, los químicos pudieron ver durante sus primeras mediciones que TEMPO interfiere con la reacción. ¿Pero de qué manera? Cuando la reacción comienza, algunas de las partículas de cobre cambian su valencia de Cu-I a Cu-II. Hasta ahora, los expertos han asumido en su mayoría que la especie Cu-II forma un compuesto durante la reacción en forma de un llamado dímero y que TEMPO es el principal responsable de la oxidación de Cu-I a Cu-II.

Para aclarar estas suposiciones, los químicos de Rostock necesitaban una visión más precisa de los componentes de cobre mediante un haz de rayos X de alta energía. Para ello, cooperaron con el sincrotrón SOLEIL en París. Primero, adquirieron un espectrómetro EPR compacto, que completaron modificando inteligentemente la célula de medición con una sonda IR y otra UV. También lo adaptaron constructivamente para el montaje experimental en el sincrotrón.

Armados con cuatro de estas ayudas de visión ultra nítidas, los investigadores del LIKAT en el SOLEIL de París pudieron por primera vez observar un mismo proceso simultáneamente desde varias perspectivas. "Y finalmente fuimos capaces de resolver lo que ha sido discutido controversialmente en la literatura científica hasta ahora", dice el Dr. Rabeah.

Modelo de Reaktion para futuros análisis

Descubrieron que TEMPO no se oxida en absoluto, como se había supuesto anteriormente. En su lugar, activa el agente oxidante oxígeno. Además, fueron capaces de detectar el tan discutido dímero. Sin embargo, descubrieron que se divide en monómeros durante la reacción. Prof. Brückner: "Pero esto no tiene ninguna influencia en la reactividad del sistema. Por consiguiente, este dímero no es importante para la reacción.

Con estos hallazgos, los expertos pueden ahora desarrollar y, sobre todo, optimizar la oxidación del alcohol bencílico utilizando oxígeno. A largo plazo, este trabajo conducirá a la sustitución del proceso industrial por uno ecológico. Y, como subraya Jabor Rabeah, la nueva tecnología de acoplamiento también puede utilizarse para el análisis mecánico de otras reacciones, hasta los procesos metabólicos de los organismos vivos.

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.