A medida que el mundo pasa del gas a la electricidad como fuente de energía más ecológica, la lista de tareas pendientes va más allá de los automóviles. La vasta red mundial de fabricación que fabrica de todo, desde nuestras baterías hasta nuestros fertilizantes, también necesita activar el interruptor.
Un estudio realizado por químicos de la Universidad de Chicago encontró una manera de utilizar la electricidad para impulsar un tipo de reacción química que se utiliza a menudo en la síntesis de nuevos candidatos a fármacos.
Publicado el 2 de enero en Nature Catalysis , la investigación es un avance en el campo de la electroquímica y muestra un camino a seguir para diseñar y controlar reacciones, y hacerlas más sostenibles.
"Lo que queremos hacer es comprender lo que sucede en el nivel fundamental en la interfaz del electrodo y usarlo para predecir y diseñar reacciones químicas más eficientes", dijo Anna Wuttig, profesora asistente de la familia Neubauer de la Universidad de Chicago y autora principal del artículo. "Este es un paso hacia ese objetivo final."
En determinadas reacciones químicas, la electricidad puede aumentar la producción y, como se puede obtener la electricidad necesaria de fuentes renovables, podría contribuir a hacer que la industria química mundial sea más ecológica.
Pero la electroquímica, como se conoce este campo, es especialmente compleja. Hay muchas cosas que los científicos no saben sobre las interacciones moleculares, especialmente porque hay que insertar un sólido conductor (un electrodo) en la mezcla para proporcionar electricidad, lo que significa que las moléculas interactúan con ese electrodo y entre sí. Para un científico que intenta desentrañar las funciones que desempeña cada molécula y en qué orden, esto hace que un proceso ya complicado sea aún más complicado.
Sin embargo, Wuttig quiere convertir esto en una ventaja. "¿Qué pasa si lo consideramos como la electroquímica que nos proporciona una palanca de diseño única que no es posible en ningún otro sistema?" dijo.
En este caso, ella y su equipo se centraron en la superficie del electrodo que proporciona la electricidad a la reacción.
"Hubo indicios de que la superficie en sí es catalítica, que desempeña un papel", dijo Wuttig, "pero no sabemos cómo controlar sistemáticamente esas interacciones a nivel molecular".
Experimentaron con un tipo de reacción que se utiliza comúnmente en la fabricación de productos químicos para medicina, para formar un enlace entre dos átomos de carbono.
Según las predicciones teóricas, cuando esta reacción se realiza utilizando electricidad, el rendimiento de la reacción debería ser del 100%, es decir, todas las moléculas que entraron se convierten en una única sustancia nueva. Pero cuando realmente ejecutas la reacción en el laboratorio, el rendimiento es menor.
El equipo pensó que la presencia del electrodo estaba tentando a algunas de las moléculas a alejarse de donde eran necesarias durante la reacción. Descubrieron que agregar un ingrediente clave podría ayudar:una sustancia química conocida como ácido de Lewis agregada a la solución líquida redirigió esas moléculas.
"Se obtiene una reacción casi limpia", dijo Wuttig.
Además, el equipo pudo utilizar técnicas de imagen especiales para observar cómo se desarrollan las reacciones a nivel molecular. "Se puede ver que la presencia del modulador tiene un efecto profundo en la estructura interfacial", dijo. "Esto nos permite visualizar y comprender lo que está sucediendo, en lugar de considerarlo como una caja negra".
Este es un paso crucial, dijo Wuttig, porque muestra un camino hacia la capacidad no sólo de utilizar el electrodo en química, sino también de predecir y controlar sus efectos.
Otro beneficio es que el electrodo se puede reutilizar para más reacciones. (En la mayoría de las reacciones, el catalizador se disuelve en el líquido y se drena durante el proceso de purificación para obtener el producto final).
"Este es un paso hacia una síntesis sostenible", afirmó. "De cara al futuro, mi grupo está muy entusiasmado de utilizar este tipo de conceptos y estrategias para trazar y abordar otros desafíos sintéticos".
Más información: Qiu-Cheng Chen et al, Ajuste interfacial de superficies electrocatalíticas de Ag para acoplamiento de electrófilos basado en fragmentos, Nature Catalysis (2024). DOI:10.1038/s41929-023-01073-5
Información de la revista: Catálisis de la naturaleza
Proporcionado por la Universidad de Chicago
