Desvelando cómo el agua y los iones afectan a las reactividades químicas en las interfaces sólido-acuosa

16.09.2022 - China

Las interfaces sólido-acuosa son omnipresentes y esenciales en una amplia gama de sistemas y procesos naturales y artificiales, desde la formación de minerales, la meteorización de las rocas y la corrosión de los metales hasta el intrincado funcionamiento de las membranas biológicas y los canales iónicos. En todos estos sistemas y procesos, el agua y los iones transportados por el agua desempeñan papeles decisivos y apuntalan las reactividades químicas interfaciales, pero a menudo falta una comprensión fundamental de tales papeles y efectos. El agua se considera un medio "verde" que está disponible en abundancia, es inocuo para el medio ambiente y barato, por lo que la ventaja de llevar a cabo las reacciones químicas en el agua frente a los disolventes orgánicos -que han dominado la química orgánica sintética por buenas razones- parece evidente, incluso desde el punto de vista de un profano.

Sin embargo, una de las preguntas clave es: ¿podemos predecir con buena precisión y exactitud si el agua potenciará o suprimirá una reacción química frente a un catalizador sólido (en la jerga, "un catalizador heterogéneo")? Aparentemente, la respuesta depende de nuestra capacidad para comprender, en gran profundidad, las tendencias de reactividad en las interfaces dinámicas y complejas entre el sólido catalítico y el entorno acuoso, lo que a su vez conducirá a la formulación y el descubrimiento de conceptos, principios y criterios novedosos que puedan aprovecharse para maximizar las reactividades químicas hacia el producto o las pizarras de productos previstos. A pesar de los enormes retos que conlleva esta noble misión, la comunidad de la catálisis heterogénea ha hecho grandes progresos en las últimas décadas, gracias tanto al rápido desarrollo de las herramientas necesarias como a la intensificación de la transferencia de conocimientos interdisciplinarios.

Así pues, ¿en qué punto nos encontramos tras décadas de investigación sobre reacciones catalizadas de forma heterogénea en la fase acuosa? Centrándose en los catalizadores sólidos ácido-base, que representan un subconjunto de catalizadores heterogéneos con amplias aplicaciones en la industria química, un equipo de investigación dirigido por el profesor Hui Shi, de la Universidad de Yangzhou (China), recopiló una evaluación exhaustiva de las funciones de las moléculas de agua, los elementos estructurales derivados del agua y las especies iónicas que se disuelven en ella, para la catálisis heterogénea ácido-base en la interfaz sólido-acuosa. Limitando su atención a la deshidratación de alcoholes, la condensación de aldoles y la isomerización de azúcares, todas ellas reacciones prototípicas catalizadas por ácidos y bases, estos autores describieron una variedad de efectos generados por el agua, utilizando ejemplos cuidadosamente seleccionados, y discutieron críticamente sus orígenes químicos y consecuencias catalíticas. La revisión se publicó en el Chinese Journal of Catalysis.

Estos autores abarcaron importantes avances en la comprensión a nivel atomístico y molecular de varios modos de acción generales, por los que el agua afecta a los mecanismos de reacción y a las relaciones estructura-rendimiento, basándose en las nuevas pruebas adquiridas para el conjunto individual de la catálisis ácido-base en la interfaz sólido-acuosa. Es particularmente importante reconocer que las funcionalidades polares de la superficie, los silanoles y los pares catión-anión, por ejemplo, y las características de polaridad y de enlace H de los diferentes estados a lo largo de la ruta de reacción, son las que tienen un impacto más dramático en la manifestación de los efectos del agua. Mediante un análisis comparativo, llegaron a la conclusión de que, para una serie análoga de reacciones, se puede anticipar que las funciones del agua son generalizables a partir de un subconjunto específico de dichas químicas. Por último, se destacaron algunos conceptos emergentes que se consideraron dignos de ser explorados más a fondo, como la "fuerza iónica interfacial" (o "fuerza iónica traporal", cuando la fase sólida contiene microporos, es decir, poros de menos de dos nanómetros o incluso de menos de 1 nm).

Según el profesor Hui Shi, "aunque muchos esfuerzos por llevar a cabo reacciones en agua o en disolventes acuosos han estado motivados por la benignidad inherente al agua, así como por su disponibilidad y coste, utilizar el agua como disolvente o como componente de mezclas de disolventes no debería ser nunca una elección mal informada sin una sólida comprensión de los orígenes químicos de sus efectos promocionales o adversos." En efecto, a veces basta incluso una pequeña gota de agua para potenciar drásticamente la reacción catalítica o "matar" completamente la transformación. La asimilación de las ideas resumidas en este artículo de revisión probablemente ayudará a los investigadores y profesionales a sintetizar una imagen coherente sobre los efectos relacionados con el agua y a controlar mejor el resultado práctico en la dirección deseada y preferida.

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Publicación original

Xugang Yang et al.; A critical assessment of the roles of water molecules and solvated ions in acid-base-catalyzed reactions at solid-water interfaces; Chinese Journal of Catalysis; Volume 43, Issue 8, August 2022, Pages 1964-1990

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