Las reacciones químicas impulsadas por la luz ofrecen una poderosa herramienta para los químicos que están diseñando nuevas formas de fabricar productos farmacéuticos y otros compuestos útiles. Aprovechar esta energía de la luz requiere catalizadores fotoredox, que pueden absorber la luz y transferir la energía a una reacción química.
Los químicos del MIT ahora han diseñado un nuevo tipo de catalizador fotorredox que podría facilitar la incorporación de reacciones impulsadas por la luz en los procesos de fabricación. A diferencia de la mayoría de los catalizadores fotorredox existentes, la nueva clase de materiales es insoluble, por lo que puede usarse una y otra vez. Dichos catalizadores podrían usarse para recubrir tuberías y realizar transformaciones químicas en los reactivos a medida que fluyen a través del tubo.
«Poder reciclar el catalizador es uno de los mayores desafíos a superar en términos de poder usar la catálisis fotorredox en la fabricación. Esperamos que al poder hacer química de flujo con un catalizador inmovilizado, podamos proporcionar una nueva forma de hacer catálisis fotoredox en escalas más grandes», dice Richard Liu, un postdoctorado del MIT y autor principal conjunto del nuevo estudio.
Los nuevos catalizadores, que pueden ajustarse para realizar muchos tipos diferentes de reacciones, también podrían incorporarse a otros materiales, incluidos textiles o partículas.
Timothy Swager, profesor de Química John D. MacArthur en el MIT, es el autor principal del artículo, que aparece hoy en Comunicaciones de la naturaleza. Sheng Guo, científico investigador del MIT, y Shao-Xiong Lennon Luo, estudiante de posgrado del MIT, también son autores del artículo.
Materiales híbridos
Los catalizadores fotoredox funcionan absorbiendo fotones y luego usando esa energía de la luz para impulsar una reacción química, de manera análoga a cómo la clorofila en las células vegetales absorbe la energía del sol y la usa para construir moléculas de azúcar.
Los químicos han desarrollado dos clases principales de catalizadores fotoredox, que se conocen como catalizadores homogéneos y heterogéneos. Los catalizadores homogéneos suelen consistir en colorantes orgánicos o complejos metálicos que absorben la luz. Estos catalizadores son fáciles de ajustar para realizar una reacción específica, pero la desventaja es que se disuelven en la solución donde se lleva a cabo la reacción. Esto significa que no se pueden quitar y usar fácilmente.
Los catalizadores heterogéneos, por otro lado, son minerales sólidos o materiales cristalinos que forman láminas o estructuras 3D. Estos materiales no se disuelven, por lo que se pueden utilizar más de una vez. Sin embargo, estos catalizadores son más difíciles de ajustar para lograr una reacción deseada.
Para combinar los beneficios de estos dos tipos de catalizadores, los investigadores decidieron incrustar los tintes que componen los catalizadores homogéneos en un polímero sólido. Para esta aplicación, los investigadores adaptaron un polímero similar al plástico con pequeños poros que habían desarrollado previamente para realizar separaciones de gases. En este estudio, los investigadores demostraron que podían incorporar alrededor de una docena de catalizadores homogéneos diferentes en su nuevo material híbrido, pero creen que podría funcionar mucho más.
«Estos catalizadores híbridos tienen la capacidad de reciclaje y la durabilidad de los catalizadores heterogéneos, pero también la capacidad de ajuste precisa de los catalizadores homogéneos», dice Liu. «Puede incorporar el tinte sin perder su actividad química, por lo que puede elegir más o menos entre las decenas de miles de reacciones fotorredox que ya se conocen y obtener un equivalente insoluble del catalizador que necesita».
Los investigadores descubrieron que la incorporación de los catalizadores en los polímeros también los ayudó a ser más eficientes. Una de las razones es que las moléculas reactivas pueden mantenerse en los poros del polímero, listas para reaccionar. Además, la energía de la luz puede viajar fácilmente a lo largo del polímero para encontrar los reactivos que esperan.
«Los nuevos polímeros unen las moléculas de la solución y las preconcentran efectivamente para la reacción», dice Swager. «Además, los estados excitados pueden migrar rápidamente por todo el polímero. La movilidad combinada del estado excitado y la partición de los reactivos en el polímero hacen que las reacciones sean más rápidas y eficientes que las que son posibles en los procesos de solución pura».
Mayor eficiencia
Los investigadores también demostraron que podían ajustar las propiedades físicas de la columna vertebral del polímero, incluido su grosor y porosidad, en función de la aplicación para la que desean utilizar el catalizador.
Como ejemplo, demostraron que podían fabricar polímeros fluorados que se pegarían a los tubos fluorados, que a menudo se utilizan para la fabricación de flujo continuo. Durante este tipo de fabricación, los reactivos químicos fluyen a través de una serie de tubos mientras se agregan nuevos ingredientes o se realizan otros pasos, como la purificación o la separación.
Actualmente, es un desafío incorporar reacciones fotorredox en procesos de flujo continuo porque los catalizadores se agotan rápidamente, por lo que deben agregarse continuamente a la solución. La incorporación de los nuevos catalizadores diseñados por el MIT en los tubos utilizados para este tipo de fabricación podría permitir que se realizaran reacciones fotorredox durante el flujo continuo. El tubo es transparente, lo que permite que la luz de un LED llegue a los catalizadores y los active.
«La idea es que el catalizador cubra un tubo, de modo que pueda fluir su reacción a través del tubo mientras el catalizador permanece en su lugar. De esa manera, el catalizador nunca terminará en el producto, y también puede obtener mucho más. eficiencia», dice Liu.
Los catalizadores también podrían usarse para recubrir perlas magnéticas, haciéndolas más fáciles de sacar de una solución una vez que finaliza la reacción, o para recubrir viales de reacción o textiles. Los investigadores ahora están trabajando en la incorporación de una variedad más amplia de catalizadores en sus polímeros y en la ingeniería de los polímeros para optimizarlos para diferentes aplicaciones posibles.
La investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias y la Iniciativa Sensor KAUST.