La naturaleza es asombrosa. Ha desarrollado en los organismos vivos la capacidad de regular procesos bioquímicos complejos con notable eficiencia. Las enzimas, catalizadores naturales, desempeñan un papel fundamental en esta regulación, asegurando la satisfacción de diversas necesidades fisiológicas a lo largo de la vida de una célula.
Además, moléculas orgánicas específicas e iones metálicos se unen a las enzimas, modulando su actividad catalítica hacia arriba o hacia abajo. Esta interacción de activadores e inhibidores mantiene armoniosamente el orden en una cascada de procesos químicos dentro de las células.
La catálisis enzimática inspira continuamente a los científicos a imitar la naturaleza para controlar diversos procesos en muchos campos, desde pequeños laboratorios hasta la fabricación industrial a gran escala de muchos compuestos químicos. Sin embargo, a pesar de la alta eficacia de los catalizadores sintéticos, la alternancia entre aceleración e inhibición no impide que funcionen por completo ni se limita al uso de productos químicos adicionales.
Esta limitación se vuelve especialmente crítica en la gestión de procesos simultáneos y secuenciales, donde reacciones paralelas no deseadas pueden persistir a pesar de los intentos de modulación. En consecuencia, se están realizando muchos esfuerzos de investigación sobre métodos para controlar transformaciones complejas de una manera eficiente y respetuosa con el medio ambiente, reduciendo el uso de productos químicos adicionales, con un enfoque particular en alternar el inicio y la parada de reacciones seleccionadas.
¿Es posible? Un nuevo concepto descrito en la revista ACS Catalysis arroja luz clara sobre esta cuestión.
Un nuevo enfoque propuesto por investigadores del Instituto de Química Física de la Academia Polaca de Ciencias (IPC PAS), dirigido por el Prof. Volodymyr Sashuk, ha demostrado un fácil control de los procesos catalíticos utilizando la luz, lo que podría ser una alternativa a la regulación química típica de enzimas. Según el concepto propuesto, sería posible ralentizar o acelerar selectivamente reacciones químicas de forma totalmente controlada sin degradar el propio catalizador utilizado. ¿Cómo funciona?
"Demostramos que la catálisis se puede controlar ocultando el catalizador dentro de una monocapa orgánica que envuelve la superficie de la mayoría de las nanopartículas inorgánicas. Gracias a esto, se puede lograr la supresión completa de la actividad catalítica", afirma el prof. Volodímir Sashuk.
Los investigadores se centraron en activar o desactivar las reacciones utilizando el material nanoestructurado, con la catálisis capaz de activarse o desactivarse empleando una longitud de onda específica, actuando de forma muy parecida a un "interruptor de luz". El material se basó en nanopartículas de oro (Au NP) de ~3 nm de tamaño decoradas en su superficie con complejos orgánicos de N-carbeno heterocíclico (NHC) a base de rutenio a través de fuertes enlaces Au-S entre las AuNP y los ligandos tiol.
La singularidad del material propuesto radica en su composición, en la que un tiol voluminoso (PT) crea un impedimento estérico, mientras que un tiol que contiene azobenceno (SAT) soporta un complejo de rutenio de Hoveyda-Grubbs, llamado precatalizador, que inicia el proceso catalítico al reaccionando con el sustrato.
El nanosistema diseñado es fotosensible a un rango específico de luz, lo que permite que el precatalizador cambie su posición dentro de la monocapa orgánica y controle el acceso al sustrato y la catálisis mediante estimulación electromagnética.
En presencia de luz visible o en la oscuridad, el precatalizador a base de rutenio se expone a la solución, iniciando y manteniendo la reacción de metátesis. Por el contrario, cuando el sistema se somete a irradiación ultravioleta, el ligando azo sufre una isomerización, actuando como un "pulsador" para evitar la activación del precatalizador.
Esto se ve facilitado por un diseño de material en el que los anillos de fenilo de los ligandos de PT obstruyen el acceso al precatalizador, ocultándolo de la solución e inhibiendo eficazmente el proceso catalítico. La viabilidad de este mecanismo está respaldada por simulaciones teóricas realizadas por científicos de la Universidad de Trieste, Italia.
La profesora Paola Posocco explica además:"Nuestros cálculos demostraron que la superficie de las nanopartículas de oro recubiertas con restos de fenilo está mejor protegida de las moléculas entrantes que la que contiene sólo cadenas alifáticas. Claramente, esto se traduce en la parada observada del catalizador".
El método propuesto permite una desactivación rápida y altamente eficiente del catalizador sin el uso de productos químicos adicionales y permite controlar la velocidad de reacción. Los investigadores creen que su enfoque poco convencional para la manipulación fotoinducida de la posición del precatalizador en el material propuesto ayudará a proporcionar muchos catalizadores funcionales que encontrarán aplicaciones en diversos campos, particularmente en el ámbito de la mejora de la selectividad química. Al mismo tiempo, destacan el papel de la interdisciplinariedad durante la investigación.
Más información: Mykola Kravets et al, Búsqueda del estado APAGADO completo en catálisis fotoconmutable, Catálisis ACS (2023). DOI:10.1021/acscatal.3c04435
Proporcionado por la Academia Polaca de Ciencias
