Estructura atómica del catalizador de cobre utilizado en la reacción de hidrogenación de un enlace carbono-oxígeno. Formaldehído H2CO (a la izquierda), utilizado como la molécula modelo en las simulaciones, toma dos hidrógenos del cobre; se mueven hacia el enlace carbono-oxígeno para que la molécula se convierta en un alcohol simple (metanol CH3OH a la derecha). Después de la reacción, una molécula de hidrógeno (azul, a la izquierda) en la vecindad se divide en dos átomos de hidrógeno dentro del cobre. Crédito:Sami Malola, Universidad de Jyväskylä
Investigadores del Centro de Nanociencia (NSC) de la Universidad de Jyväskylä, Finlandia, y la Universidad de Xiamen, Porcelana, han descubierto cómo las partículas de cobre a escala nanométrica operan modificando un enlace carbono-oxígeno cuando las moléculas de cetona se convierten en moléculas de alcohol. La modificación de los enlaces carbono-oxígeno y carbono-carbono que se encuentran en las moléculas orgánicas es una etapa intermedia importante en las reacciones catalíticas en las que el material de origen se transforma en valiosos productos finales.
Comprender el funcionamiento de los catalizadores a nivel de la estructura atómica de una sola partícula permite desarrollar catalizadores con las características deseadas, como hacerlos eficientes y selectivos para un producto final específico. El estudio fue publicado en ACS Nano . En Finlandia, el estudio fue dirigido por el profesor de la Academia Hannu Häkkinen.
Las partículas de cobre catalítico utilizadas en el estudio se fabricaron y caracterizaron estructuralmente en la Universidad de Xiamen, y su operación para cambiar un fuerte enlace carbono-oxígeno en una reacción de hidrogenación fue estudiada por los investigadores del Centro de Nanociencia (NSC) de la Universidad de Jyväskylä en simulaciones por computadora. La estructura atómica precisa de las partículas de cobre se determinó mediante difracción de rayos X y espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN). Se encontró que las partículas contenían 25 átomos de cobre y diez hidrógenos, y había 18 tioles protegiendo la superficie de la partícula. Si bien el trabajo experimental en Xiamen reveló su excelente desempeño en la hidrogenación catalítica de cetonas, las simulaciones predijeron que los hidrógenos unidos al núcleo de cobre de la partícula actúan como un almacenamiento de hidrógeno, que libera dos átomos de hidrógeno al enlace carbono-oxígeno durante una reacción. El almacenamiento de hidrógeno se vuelve a llenar después de la reacción, cuando una molécula de hidrógeno unida a la partícula desde su entorno se divide en dos átomos de hidrógeno, que se unen nuevamente al núcleo de cobre (ver imagen). Las mediciones de RMN realizadas en Xiamen revelaron un producto intermedio de la reacción, lo que confirmó las predicciones del modelo computacional.
"Esta es una de las primeras veces que se ha podido descubrir cómo funciona una partícula catalítica cuando se conoce su estructura con tanta precisión, gracias a una cooperación que incluye tanto experimentos como simulaciones, "dice el profesor de la Academia Hannu Häkkinen de la Universidad de Jyväskylä, quien dirigió la parte computacional del estudio.
Colaborador de Häkkinen, Karoliina Honkala, profesor de catálisis computacional, dice, "Tradicionalmente, En las reacciones de hidrogenación se utilizan costosos catalizadores basados en platino. Este estudio demuestra que las partículas de hidruro de cobre a nanoescala también actúan como catalizadores de hidrogenación. Los resultados dan esperanza de que en el futuro, será posible desarrollar catalizadores a base de cobre eficaces y económicos para transformar moléculas orgánicas funcionalizadas en productos de mayor valor añadido ".
