Nuevos estímulos alimentados por luz podrían ayudar a la mano

Cambridge, Massachusetts – Las reacciones químicas impulsadas por la luz brindan una herramienta poderosa para los químicos que están diseñando nuevas formas de fabricar productos farmacéuticos y otros compuestos útiles. Aprovechar esta energía luminosa requiere fotocatalizadores, que pueden absorber la luz y transferir energía a una reacción química.

Químicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts han diseñado un nuevo tipo de catalizador de fotooxidación que puede facilitar la incorporación de reacciones impulsadas por la luz en los procesos de fabricación. A diferencia de la mayoría de los catalizadores de fotooxidación existentes, la nueva clase de materiales es insoluble, por lo que puede usarse una y otra vez. Estos catalizadores se pueden usar para recubrir los tubos y para realizar cambios químicos en los reactivos a medida que fluyen a través del tubo.

«La capacidad de reciclar el catalizador es uno de los mayores desafíos a superar en términos de poder usar la fotocatálisis en la fabricación. Esperamos que al poder realizar la química de flujo con un catalizador inmóvil, podamos proporcionar una nueva forma de hacer la fotocatálisis a escalas mayores”.

Los nuevos catalizadores, que se pueden ajustar para realizar muchos tipos diferentes de reacciones, también se pueden incorporar a otros materiales, incluidos textiles o moléculas.

Timothy Swagger, profesor de química en la Universidad John MacArthur del MIT, es el primer autor del artículo de investigación, 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 los autores de la investigación.

Materiales híbridos

Los catalizadores fotoredox funcionan absorbiendo fotones y luego usando esa energía de la luz para impulsar una reacción química, similar 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 fotocatalizadores, que se conocen como catalizadores homogéneos y heterogéneos. Los catalizadores homogéneos suelen consistir en colorantes orgánicos o compuestos 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 ocurre la reacción. Esto significa que no se pueden quitar y usar fácilmente.

Por otro lado, los catalizadores heterogéneos son minerales sólidos o materiales cristalinos que forman láminas o estructuras tridimensionales. Estas sustancias no se disuelven, por lo que se pueden usar más de una vez. Sin embargo, ajustar estos catalizadores es más difícil para lograr la reacción deseada.

Para combinar los beneficios de estos dos tipos de catalizadores, los investigadores decidieron incorporar los tintes que forman 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 procesos de separación de gases. En este estudio, los investigadores muestran que pueden incorporar alrededor de una docena de catalizadores homodiméricos diferentes en su nuevo material híbrido, pero creen que pueden hacer mucho más que eso.

«Estos catalizadores híbridos tienen el potencial de reciclaje y la solidez de los catalizadores heterogéneos, pero también son aptos para el ajuste fino de los catalizadores homogéneos», dice Liu. “Se puede incorporar el colorante sin perder su actividad química, por lo que se puede elegir entre decenas de miles de reacciones fototóxicas ya conocidas y obtener el equivalente insoluble del catalizador que se necesita”.

Los investigadores descubrieron que la incorporación de catalizadores en los polímeros también los ayudó a ser más eficientes. Una razón es que las moléculas que reaccionan pueden permanecer en los poros del polímero, para estar listas para la reacción. Además, la energía de la luz puede viajar fácilmente a lo largo del polímero para encontrar los reactivos que esperan.

«Los nuevos polímeros unen de manera efectiva las moléculas de la solución y las concentran para la reacción», dice Swagger. «Además, los estados excitados pueden viajar rápidamente a través del polímero. La movilidad combinada del estado excitado y la partición de los reactivos en el polímero conducen a reacciones más rápidas y eficientes de lo que es posible 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 espesor y porosidad, en función de la aplicación para la que deseaban utilizar el catalizador.

Por ejemplo, demostraron que podían fabricar polímeros fluorados que se adhieren a los tubos fluorados, que a menudo se utilizan para la fabricación de flujo continuo. Durante este tipo de fabricación, los productos químicos que reaccionan 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 difícil incorporar reacciones de fotooxidación en procesos de flujo continuo porque los catalizadores se usan rápidamente, por lo que deben agregarse constantemente a la solución. La incorporación de nuevos catalizadores diseñados por el MIT en los tubos utilizados para este tipo de fabricación puede permitir que se produzcan reacciones fotónicas durante el flujo continuo. El tubo es transparente, lo que permite que la luz del LED alcance y active los estímulos.

«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 obtendrá una eficiencia mucho mayor. ”, dice Liu.

Los catalizadores también se pueden usar para encapsular perlas magnéticas, lo que facilita su extracción de la solución una vez que finaliza la reacción, o para encapsular matraces de reacción o textiles. Los investigadores ahora están trabajando en la incorporación de una variedad de catalizadores en sus polímeros y en la ingeniería de los polímeros para optimizarlos para diferentes aplicaciones posibles.

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La investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias y la Iniciativa Sensor en KAUST.