Unión halógena para la separación electroquímica selectiva
Demostración del camino hacia la transformación química sostenible
Con un nuevo polímero que sólo atrae determinadas sustancias de las soluciones cuando se activa eléctricamente, los investigadores han dado un gran paso hacia la separación química sostenible.
Un equipo de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign ha publicado en la revista JACS Au la primera demostración de separación electroquímica selectiva impulsada por enlaces halogenados . Para conseguirlo, se diseñó un polímero que modula la densidad de carga de un átomo de halógeno cuando se le aplica electricidad. De este modo, el polímero atrae de soluciones orgánicas sólo determinados objetivos, como halogenuros, oxianiones e incluso moléculas orgánicas, una característica que tiene importantes implicaciones para los productos farmacéuticos y los procesos de síntesis química.
"La separación química es como fabricar una esponja que sólo absorbe la sustancia química deseada de una mezcla", explica Xiao Su, catedrático de Ingeniería Química y Biomolecular y director del proyecto. "Aunque la separación electroquímica se utiliza en algunos contextos, puede resultar bastante complicado garantizar que sólo absorban lo que se necesita. En este trabajo, hemos fabricado una 'esponja eléctrica' a nivel molecular que sólo capta componentes concretos de las mezclas".
En entornos industriales, la separación química suele conseguirse mediante procesos basados en el calor o la filtración por membranas, pero estos métodos generan residuos materiales. Las alternativas basadas en mecanismos electroquímicos minimizarían los residuos y se beneficiarían de fuentes sostenibles de electricidad. Aunque estos mecanismos ya se utilizan en aplicaciones como la desalinización, son indiscriminados en cuanto a las sustancias que atraen.
Los investigadores lograron una separación eléctrica selectiva con una interacción química llamada enlace halógeno, en la que una molécula diana es atraída por el polímero donante halógeno sensible a redox por la fuerte carga positiva parcial del átomo halógeno, llamada "agujero sigma". El equipo aprovechó esta interacción diseñando un polímero que contiene un átomo de yodo halogenado y ferroceno, un centro redox activo que modula la fuerza de enlace del yodo cuando se aplica electricidad externa. El agujero sigma del yodo se activa cuando el ferroceno se oxida, creando una fuerte carga positiva que atrae iones con carga negativa.
El enlace halógeno es un campo muy estudiado, aunque especializado, de la química fundamental, pero nuestro equipo es el primero que toma el concepto y lo utiliza para desarrollar una "esponja" funcional", afirma Nayeong Kim, estudiante de posgrado del grupo de investigación de Su y autor principal del estudio. "La fuerza del enlace halógeno es lo que permite la selectividad, ya que selecciona iones con gran afinidad por el átomo halógeno".
El grupo de investigación de Su diseñó el polímero redox-activo y lo probó en varias soluciones orgánicas. Tras comprobar que el polímero podía seleccionar iones específicos de una mezcla, confirmaron la presencia de enlaces halógenos mediante experimentos de resonancia magnética nuclear y dispersión Raman. El grupo de Su colaboró con el profesor de ingeniería química y biomolecular Alex Mironenko, que dirigió las investigaciones computacionales del polímero para comprender los mecanismos subyacentes en la activación del centro redox.
"Ahora que hemos demostrado la separación electroquímica molecular, los próximos pasos consistirán en perfeccionar y ampliar el proceso", explica Su. "Eso incluye explorar estrategias de ampliación, como el modelo en cascada, para mejorar la pureza del producto final, diseñar un sistema de electrosorción continuo y luego estudiar el proceso fuera de las condiciones de laboratorio".
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