Posiblemente el avance industrial más importante (aunque menos conocido) del siglo XX, El proceso de síntesis de amoníaco de Haber-Bosch esencialmente conquistó la escasez de alimentos al crear los medios para producir fertilizantes en masa, fertilizantes que luego se usaban para fortalecer las cosechas de alimentos en todo el mundo.

Pero la producción de amoníaco, el componente básico del fertilizante de nitrato de amonio, genera un subproducto problemático en el futuro:el dióxido de carbono. Mucho:más de dos toneladas de carbono por cada tonelada de fertilizante. Representa aproximadamente el 1,4% de las emisiones mundiales de dióxido de carbono. Entonces, mientras el proceso contrarrestaba la hambruna masiva, también comenzó a aumentar la carga de gases de efecto invernadero del planeta.

Uno de los principales objetivos de los científicos de hoy es desvincular la producción de alimentos del carbono. En parte, esto significa encontrar una manera de producir fertilizantes a través de la síntesis de amoníaco libre de carbono. ¿Se puede hacer sin Haber-Bosch?

Paul Chirik, el profesor de química Edwards S. Sanford, ha dado un paso importante hacia esta posibilidad con un enfoque fundamental para la síntesis de enlaces químicos. Él y los investigadores de su laboratorio utilizan la luz visible para impulsar la formación de enlaces débiles elemento-hidrógeno, que se encuentran en el centro del desafío porque son muy difíciles de realizar.

El documento de prueba de concepto del laboratorio, publicado este mes en Química de la naturaleza , establece un método simple que implica hacer brillar una luz azul sobre un catalizador de iridio para permitir la formación de enlaces débiles en o cerca del potencial termodinámico, es decir, sin grandes desembolsos de energía, sin un subproducto de carbono.

"El gran avance aquí es poder tomar la luz y luego promover una reacción química para crear un enlace que es realmente débil, que no podrías prescindir de un estímulo externo, "dijo Chirik." En el pasado, a ese estímulo se le ha sumado la generación de despilfarro o consumo de electricidad. Aquí, lo estamos haciendo con luz.

"Tenemos este mundo de catalizadores metálicos que han hecho cosas asombrosas:han producido amoníaco, han hecho drogas, han hecho polímeros. Ahora, podemos hacer aún más con ellos cuando empezamos a ver qué sucede cuando estos catalizadores absorben la luz, ", agregó." Entonces, estás tomando algo que tenía una química realmente genial antes y lo estás exprimiendo con otras 50 kilocalorías.

"Se abre un mundo entero. De repente, hay una nueva clase de reacciones que podemos pensar en hacer ".

Brillar una luz

Los enlaces E-H son simplemente una forma de denotar cualquier enlace que pueda hacer entre el hidrógeno y otro elemento. La fuerza de la unión E-H depende en gran medida de la estructura química de cada elemento, pero muchos de estos enlaces son débiles, inestables e inclinados a romperse fácilmente y formar hidrógeno (H ₂ ). La mayoría de las reacciones químicas son impulsadas por la formación de enlaces fuertes, a medida que se libera energía cuando se forman productos más estables. Es el conjunto de vínculos débiles lo que plantea el desafío.

El laboratorio de Chirik ha encontrado una manera de crear un enlace débil al iluminar un catalizador; en este caso, iridio.

Así es como funciona:los investigadores eligieron una molécula orgánica representativa, antraceno, que actúa como una especie de plataforma sobre la que tiene lugar la química dentro del matraz de reacción. La luz azul brillante sobre el iridio dentro del matraz lo "excita, ", lo que significa que tiene energía para impulsar la reacción. En este estado, choca con la molécula de antraceno y transfiere un átomo de hidrógeno para formar un enlace débil. El catalizador de iridio luego activa el gas hidrógeno, completando el ciclo.

La utilización de hidrógeno gaseoso en lugar de fuentes de hidrógeno basadas en carbono, ampliamente utilizadas en la síntesis orgánica en el pasado, proporciona potencialmente una forma sostenible de hacer enlaces químicos débiles sin generar un subproducto de carbono.

Parque Yoonsu, investigador asociado postdoctoral en el laboratorio de Chirik y autor principal del artículo, y Sangmin Kim, un doctorado en 2021 graduado del laboratorio, Se le ocurrió la idea de usar la fotoquímica revisando los enlaces débiles que aparecen en otras reacciones y extrapolando sus lecciones. Dos autores adicionales del artículo:Greg Scholes, el profesor de química William S. Tod, y su estudiante de posgrado, Lei Tian, ​​contribuyeron con conocimientos sobre el papel de la luz azul utilizando una variedad de experimentos con láser.

Park también determinó qué catalizador metálico en la vasta extensión de la tabla periódica sería el más efectivo para llevar a cabo la reacción deseada. Saltando de un trabajo de laboratorio anterior realizado con rodio, otro raro, catalizador de metal caro:rápidamente se centró en el iridio.

Si bien los científicos aún no están listos para deshacerse de Haber-Bosch, La prueba de concepto del laboratorio de Chirik es un paso inicial importante.

"Aún no hemos producido amoníaco de manera catalítica. Tenemos un largo camino por recorrer para lograr ese objetivo, "dijo Chirik." Pero es esta idea de aprender a hacer estos lazos débiles lo que es tan importante.

"Lo que me gusta de esta investigación es:es diferente. Es química fundamental tan básico como puedas. Nadie abrirá mañana una planta en esta investigación. Pero estamos muy entusiasmados con el concepto, y realmente esperamos que otras personas hagan esta química en otros contextos ".