Investigadores del Instituto de Bioingeniería de Cataluña, la Universidad de Barcelona y dos universidades en Australia han introducido una nueva forma de catalizar reacciones químicas aplicando campos eléctricos a las moléculas. El avance, además de resolver un antiguo enigma químico, podría revolucionar la forma de producir compuestos destinados a la industria y la vida cotidiana.
"La teoría sugería que muchas reacciones químicas –y no solo reacciones redox (de reducción-oxidación) como a menudo se cree– podrían ser catalizadas mediante la aplicación de un campo eléctrico", comenta Ismael Díez-Pérez, investigador del Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC) y profesor en la Universidad de Barcelona (UB), "pero ahora hemos proporcionado por primera vez una evidencia experimental de este suceso".
El estudio, en el que han participado científicos del IBEC, la UB y dos universidades en Australia, se ha publicado en la revista Nature. El trabajo plantea una nueva forma de acelerar o catalizar las reacciones químicas mediante la aplicación de un campo eléctrico entre las moléculas reaccionantes.
En concreto, la reacción estudiada fue una clásica, la de Diels-Alder (una de las más importantes en química orgánica para formar anillos de seis eslabones). Se llevó a cabo entre dos nanoelectrodos conteniendo las moléculas reactivas y bajo un campo eléctrico orientado en dos direcciones.
Poder catalizar reacciones químicas es esencial, ya que de este modo se acelera la reacción, y por lo tanto, hace que sean más prolíficas y económicas en sus múltiples aplicaciones. La catálisis electrostática (usando campos eléctricos) es la forma menos desarrollada de la catálisis en química sintética, debido a que los efectos electrostáticos pueden ser fuertemente direccionales.
Ayuda de la microscopía de efecto túnel
Los investigadores en España y Australia resolvieron este problema mediante el uso de técnicas innovadoras basadas en microscopía de efecto túnel (STM). “Nuestro microscopio STM modificado nos permite la captura directa de moléculas individuales que reaccionan", dice Albert C. Aragonès, estudiante de doctorado en el IBEC y la UB y el primer autor del estudio. “Mediante el control de la orientación de las moléculas en relación con el campo eléctrico, hemos acelerado una reacción no-redox por primera vez”, añade Ismael.
"El uso de campos eléctricos externos como 'catalizador' implica que se puede lograr la síntesis de moléculas que de otro modo no podrían llevarse a cabo de manera rentable en el laboratorio o en grandes instalaciones industriales", agrega Nadim Darwish, investigador Marie-Curie en el IBEC y en la UB. "Esto abre las puertas hacia la nueva tecnología química".
Los autores adelantan que este trabajo puede ayudar a plantear una nueva forma de fabricar los compuestos químicos típicamente utilizados en la producción de medicamentos y materiales industriales, de una manera más rápida y económica que con las técnicas actuales.
Referencia bibliográfica:
Albert C. Aragonès, Naomi L. Haworth, Nadim Darwish, Simone Ciampi, Nathaniel J. Bloomfield, Gordon G. Wallace, Ismael Diez-Perez, Michelle L. Coote. "Electrostatic catalysis of a Diels–Alder reaction". Nature, 531: 88–91, 3 de marzo de 2016.
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