Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS), el Departamento de Química y Biología Química de Harvard y la Universidad de Utrecht han informado sobre una forma previamente difícil de alcanzar para mejorar la selectividad de las reacciones catalíticas, agregando un nuevo método para aumentar la eficacia de los catalizadores para una gama potencialmente amplia de aplicaciones en diversas industrias, incluidas la farmacéutica, la cosmética y mucho más.

La investigación se publica en Nature Catalysis.

La industria química depende de catalizadores para más del 90% de sus procesos y casi todos estos catalizadores consisten en nanopartículas dispersas sobre un sustrato. Los investigadores han sospechado durante mucho tiempo que el tamaño de las nanopartículas individuales y la distancia entre ellas juegan un papel importante en la velocidad y los productos producidos en la reacción catalítica, pero debido a que las nanopartículas son propensas a moverse y aglomerarse durante la catálisis, ha sido difícil estudiarlas. exactamente cómo.

Durante la última década, Joanna Aizenberg, profesora Amy Smith Berylson de ciencia de materiales y profesora de química y biología química, y su laboratorio se han inspirado en la naturaleza para construir materiales porosos y altamente ordenados para una amplia gama de reacciones catalíticas. P>

Inspirándose en la estructura de las alas de las mariposas, los investigadores diseñaron una nueva plataforma catalizadora que incrusta parcialmente nanopartículas en el sustrato, atrapándolas para que no se muevan durante la catálisis, mientras deja expuesta el resto de la superficie de las nanopartículas, lo que les permite realizar las reacciones catalíticas de manera eficiente y sin aglomeración.

Los investigadores descubrieron que la distancia entre las partículas tenía un gran impacto en la selectividad de la reacción.

"Muchas reacciones químicas de relevancia industrial siguen una cascada en la que el químico A se convierte en el químico B, que luego puede convertirse en el químico C, etc.", dijo Kang Rui Garrick Lim, estudiante graduado en el Laboratorio Aizenberg y primer autor del estudio. .

"En algunos procesos catalíticos, el producto químico intermedio, el químico B, es el objetivo, mientras que en otros es el producto final, el químico C. La selectividad del catalizador se refiere a si favorece la producción del químico B o del químico C."

Un buen ejemplo de esto es la producción de alcohol bencílico, una sustancia química utilizada en todo, desde lacas, pinturas y producción de cuero hasta medicamentos intravenosos, cosméticos y medicamentos tópicos.

El alcohol bencílico es el químico intermedio B, derivado de la hidrogenación del benzaldehído (químico A), antes de que la reacción genere tolueno (químico C), otro químico de uso común pero de menor valor. Para producir alcohol bencílico de manera eficiente, es necesario suprimir la formación de tolueno.

Actualmente, para hacer que el alcohol bencílico sea más útil, la reacción de hidrogenación catalítica se ralentiza, o no se completa, para garantizar que la reacción se detenga en B y forme la menor cantidad de tolueno posible.

"En general, para producir estos productos químicos intermedios, se hace que el catalizador sea menos reactivo y la reacción general sea más lenta, lo que no es nada productivo", dijo Lim. "Los catalizadores están destinados a acelerar las cosas, no a ralentizarlas."

Los investigadores demostraron su plataforma en la formación catalítica de alcohol bencílico. Lim y el equipo descubrieron que cuando las nanopartículas metálicas catalíticas se colocaban más separadas en el sustrato, la reacción era más selectiva hacia el alcohol bencílico, el químico intermedio.

Cuando las nanopartículas estaban más juntas, la reacción era más selectiva hacia el tolueno, el producto final. Dado que la distancia entre nanopartículas se puede ajustar sintéticamente utilizando la plataforma catalítica bioinspirada, la investigación sugiere que la misma plataforma catalítica se puede adaptar fácilmente para una variedad de productos químicos intermedios o finales.

"La catálisis es fundamental para la producción de toda una gama de materiales extremadamente importantes que se utilizan en productos farmacéuticos, productos de consumo y en la fabricación de muchos productos que todos utilizamos en la vida cotidiana", afirmó Aizenberg.

"Agregar esta herramienta de mejora de la selectividad al arsenal del químico es extremadamente importante. Permitirá un ajuste más efectivo de los procesos catalíticos, un uso más económico de las materias primas acompañado de la reducción del consumo de energía y la generación de desechos. Esperamos que los químicos utilicen nuestra plataforma en una mayor optimización de procesos catalíticos nuevos y existentes."

A continuación, el equipo utilizará la misma plataforma para comprender cómo el tamaño de las nanopartículas afecta la reacción a distancias fijas entre las nanopartículas.

La Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard ha protegido la propiedad intelectual del laboratorio del profesor Aizenberg, que es la tecnología subyacente de esta investigación.

La investigación fue coautora de Selina K. Kaiser, Haichao Wu, Sadhya Garg, Marta Perxes Perich, Jessi E. S. van der Hoeven y Michael Aizenberg.

Más información: Kang Rui Garrick Lim et al, La proximidad de nanopartículas controla la selectividad en la hidrogenación de benzaldehído, Nature Catalysis (2024). DOI:10.1038/s41929-023-01104-1

Información de la revista: Catálisis de la naturaleza

Proporcionado por la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard