Una misteriosa espuma orgánica aumenta la eficacia de las reacciones químicas y puede reducir los residuos químicos
Los fabricantes de productos químicos utilizan con frecuencia disolventes tóxicos como los alcoholes y el benceno para elaborar productos como los farmacéuticos y los plásticos. Los investigadores están examinando un fenómeno hasta ahora ignorado e incomprendido en las reacciones químicas utilizadas para fabricar estos productos. Este descubrimiento aporta una nueva comprensión fundamental de la química catalítica y un peldaño en las aplicaciones prácticas que algún día podrían hacer que la fabricación de productos químicos sea menos derrochadora y más respetuosa con el medio ambiente.
Los investigadores de Illinois forman parte de un equipo multiinstitucional que ha descubierto que los disolventes reaccionan espontáneamente con las nanopartículas metálicas para formar complejos reactivos que pueden mejorar el rendimiento de los catalizadores y, al mismo tiempo, reducir el impacto medioambiental de la fabricación de productos químicos. Reproducido con permiso de D. Flaherty et al., Science 371:6529 (2021).
Graphic courtesy Alex Jerez, Imaging Technology Group - Beckman Institute.
El estudio, dirigido por el investigador de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign David Flaherty, el investigador de la Universidad de Minnesota, Twin Cities Matthew Neurock y el investigador de Virginia Tech Ayman Karim, se publica en la revista Science.
La combinación de disolventes y nanopartículas metálicas acelera muchas reacciones químicas y ayuda a maximizar el rendimiento y los márgenes de beneficio de la industria química. Sin embargo, muchos disolventes son tóxicos y difíciles de eliminar de forma segura, según los investigadores. El agua también funciona, pero no es tan eficaz ni fiable como los disolventes orgánicos. Se pensaba que la razón de esta diferencia era la limitada solubilidad de algunos reactivos en el agua. Sin embargo, las múltiples irregularidades en los datos experimentales han llevado al equipo a darse cuenta de que las razones de estas diferencias no se entendían del todo.
Para comprender mejor el proceso, el equipo llevó a cabo experimentos para analizar la reducción del oxígeno a peróxido de hidrógeno: un conjunto utilizando agua, otro con metanol y otros con mezclas de agua y metanol. En todos los experimentos se utilizaron nanopartículas de paladio.
"En los experimentos con metanol, observamos una descomposición espontánea del disolvente que deja un residuo orgánico, o escoria, en la superficie de las nanopartículas", dijo Flaherty, profesor de ingeniería química y biomolecular en Illinois. "En algunos casos, el residuo parecido a la espuma se adhiere a las nanopartículas y aumenta la velocidad de reacción y la cantidad de peróxido de hidrógeno que se forma en lugar de obstaculizar la reacción. Esta observación nos hizo preguntarnos cómo podía ayudar".
El equipo descubrió que el residuo, o mediador redox de la superficie, mantiene especies que contienen oxígeno, incluido un componente clave, el hidroximetilo. Se acumula en la superficie de las nanopartículas de paladio y abre nuevas vías de reacción química, informa el estudio.
"Una vez formado, el residuo pasa a formar parte del ciclo catalítico y es probablemente el responsable de algunas de las diferentes eficiencias entre disolventes de las que se ha informado en los últimos 40 años de trabajo sobre esta reacción", dijo Flaherty. "Nuestro trabajo proporciona pruebas sólidas de que estos mediadores redox superficiales se forman en los disolventes de alcohol y que pueden explicar muchos misterios del pasado para esta química".
Trabajando con múltiples tipos de experimentos y simulaciones computacionales, el equipo aprendió que estos mediadores redox transfieren eficazmente tanto protones como electrones a los reactantes, mientras que las reacciones en agua pura transfieren protones fácilmente, pero no electrones. Estos mediadores también alteran la superficie de las nanopartículas de forma que se reduce la barrera energética que hay que superar para la transferencia de protones y electrones, informa el estudio.
"Demostramos que tanto los disolventes alcohólicos como los aditivos orgánicos pueden reaccionar para formar mediadores superficiales unidos a metales que actúan de forma muy parecida a como lo hacen los cofactores enzimáticos de nuestro cuerpo al catalizar las reacciones de oxidación y reducción", dijo Neurock.
Además, este trabajo puede tener implicaciones para reducir las cantidades de disolvente utilizadas y los residuos generados en la industria química.
"Nuestra investigación sugiere que, para algunas situaciones, los productores de productos químicos podrían formar los mediadores redox superficiales añadiendo pequeñas cantidades de un aditivo al agua pura en lugar de bombear miles de galones de disolventes orgánicos a través de estos reactores", dijo Flaherty.
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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