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Los nuevos catalizadores impulsados ​​por la luz facilitan los procesos de fabricación

Las reacciones químicas impulsadas por la luz son extremadamente útiles para los químicos que están desarrollando nuevos métodos para fabricar productos farmacéuticos y otros compuestos beneficiosos. Explotar esta energía luminosa requiere catalizadores fotoredox, capaces de capturar la luz y transmitir la energía a una reacción química.

Químicos del MIT han diseñado un nuevo tipo de catalizador fotorredox que podría facilitar la integración de reacciones inducidas por la luz en procesos de fabricación de flujo continuo. Se podrían usar catalizadores poliméricos para recubrir los tubos y realizar transformaciones químicas en los reactivos a medida que pasan por el tubo, como se imagina en esta ilustración digital. Crédito de la imagen: Richard Liu

MIT Los químicos han desarrollado recientemente un nuevo tipo de catalizador fotorredox que podría facilitar la integración de reacciones impulsadas por la luz en los métodos de fabricación. A diferencia de la mayoría de los catalizadores fotorredox disponibles actualmente, el nuevo grupo de materiales son insolubles, por lo que pueden usarse repetidamente. Estos catalizadores se pueden usar para recubrir los tubos y realizar alteraciones químicas en los reactivos a medida que pasan por el tubo.

Ser capaz de reciclar el catalizador es uno de los mayores desafíos para poder utilizar 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 fotorredox a mayor escala.

Richard Liu, investigador postdoctoral y coautor principal del estudio, MIT

Los nuevos catalizadores, que pueden modificarse para realizar muchos tipos de reacciones, también pueden integrarse en otros materiales, como partículas o textiles.

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Timothy Swager, profesor de química John D. MacArthur en el MIT, es el autor principal del estudio, que se publicó recientemente en la revista Naturaleza Comunicación. El investigador del MIT Sheng Guo y el estudiante graduado del MIT Shao-Xiong Lennon Luo también son los autores del estudio.

Materiales híbridos

Los catalizadores fotoredox funcionan absorbiendo fotones y luego usando esa energía de la luz para desencadenar una reacción química, similar a cómo la clorofila en las células vegetales absorbe la energía del sol y la usa para producir moléculas de azúcar.

Los químicos han creado dos grupos principales de catalizadores fotoredox, llamados catalizadores heterogéneos y homogéneos. Los catalizadores homogéneos suelen incluir colorantes orgánicos o complejos metálicos que absorben la luz. Estos catalizadores se pueden modificar fácilmente para realizar una reacción particular, pero el problema es que se disuelven en la solución donde ocurre la reacción. Esto significa que simplemente no se pueden extraer y reutilizar.

Por otro lado, los catalizadores heterogéneos son minerales sólidos o materiales cristalinos que crean estructuras o láminas 3D. Estos materiales no se disuelven, por lo que se pueden utilizar muchas veces. Sin embargo, estos catalizadores son más difíciles de modificar para lograr una reacción preferida.

Para integrar las ventajas de estos dos tipos de catalizadores, los científicos planearon insertar los tintes que constituyen catalizadores homogéneos en un polímero sólido. Para esta aplicación, los científicos utilizaron un polímero similar al plástico con pequeños poros que habían creado previamente para realizar separaciones de gases.

En esta investigación, los científicos demostraron que podían integrar casi 12 catalizadores homogéneos diferentes en su nuevo material híbrido, pero están seguros de que podría funcionar con varios otros.

Estos catalizadores híbridos tienen la reciclabilidad y la durabilidad de los catalizadores heterogéneos, pero también la capacidad de ajuste precisa de los catalizadores homogéneos. Puede incorporar el colorante sin perder su actividad química, por lo que puede elegir más o menos entre las decenas de miles de reacciones fotorredox ya conocidas y obtener un equivalente insoluble del catalizador que necesita.

Richard Liu, investigador postdoctoral y coautor principal del estudio, MIT

Los científicos aprendieron que agregar catalizadores a los polímeros también les permitía ser más eficientes. Una explicación es que las moléculas reactivas pueden estar contenidas dentro de los poros del polímero, listas para reaccionar. Además, la energía de la luz puede fluir sin esfuerzo a lo largo del polímero para localizar los reactivos que esperan.

Los nuevos polímeros unen moléculas en solución y las preconcentran de manera efectiva para la reacción. Además, los estados excitados pueden migrar rápidamente por todo el polímero. La movilidad combinada del estado excitado y la separación de los reactivos en el polímero permiten reacciones más rápidas y eficientes que las posibles en los procesos de solución pura.

Timothy Swager, autor principal del estudio y profesor de química John D. MacArthur, MIT

Eficiencia superior

Los científicos también demostraron que podían cambiar las características físicas de la columna vertebral del polímero, incluida su porosidad y grosor, según la aplicación para la que querían usar el catalizador.

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Como ejemplo, demostraron que podían producir fluoropolímeros que se adherían a los fluorotubos, que se utilizan con frecuencia para la fabricación de flujo continuo. Durante este tipo de fabricación, los reactivos químicos pasan por una serie de tubos mientras se incorporan nuevos constituyentes, o se realizan otros pasos como la separación o la purificación.

Actualmente, es difícil agregar reacciones fotorredox en procesos de flujo continuo porque los catalizadores se agotan rápidamente, por lo que deben incorporarse constantemente a la solución.

La incorporación de los nuevos catalizadores diseñados por el MIT en los tubos utilizados para este tipo de fabricación podría permitir realizar reacciones fotorredox en flujo continuo. El tubo es transparente, dejando pasar la luz de un LED, llegando a los catalizadores y estimulándolos.

La idea es tener el catalizador encerrado en un tubo, para que pueda ejecutar su reacción a través del tubo mientras el catalizador permanece en su lugar. De esta manera, el catalizador nunca termina en el producto y también puede lograr una eficiencia mucho mayor.

Richard Liu, investigador postdoctoral y coautor principal del estudio, MIT

Los catalizadores también podrían usarse para recubrir perlas magnéticas, haciéndolas más fáciles de extraer de la solución una vez que se completa la reacción, o para recubrir textiles o matraces de reacción. Actualmente, los científicos están tratando de integrar una gama más amplia de catalizadores en sus polímeros y diseñar los polímeros para que puedan usarse en diversas aplicaciones potenciales.

La Fundación Nacional de Ciencias y la Iniciativa Sensor KAUST financiaron el estudio.

Referencia de la revista:

Liu, RY, y otros. (2022) Plataforma de polímero microporoso procesable en solución para la heterogeneización de varios catalizadores fotorredox. Naturaleza Comunicación. doi.org/10.1038/s41467-022-29811-6.

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La fuente: https://mit.edu