Aceleran Por Primera Vez Una Reacción Química Mediante Campos Eléctricos

Aceleran por primera vez una reacción química mediante campos eléctricos 

Un estudio en Nature demuestra que es posible acelerar reacciones químicas no redox mediante el uso de campos eléctricos.

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El trabajo podría mejorar y abaratar procesos industriales como el desarrollo de fármacos o la síntesis de polímeros.

"La teoría sugería que muchas reacciones químicas y no solo reacciones redox (de reducción-oxidación) como a menudo se cree–podrían ser catalizadas mediante la aplicación de un campo eléctrico", comenta Ismael Díez-Pérez, investigador del Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC) y profesor en la Universidad de Barcelona (UB), "pero ahora hemos proporcionado por primera vez una evidencia experimental de este suceso". “La idea vino de la mano de Sason Shaik cuando, en 1974, escuchó a un conferenciante describir un catalizador: una molécula que puede acelerar el ritmo de una reacción sin que se agote. Shaik continuó experimentando, trabajando en este campo.” Utilizando el trabajo de Shaik, 2 científicos (de la Universidad Nacional de Australia y de la Universidad de Barcelona), consiguieron grandes avances en su investigación. Varios científicos continúan experimentando e investigando y los resultados hacen pensar que, más temprano que tarde, saldrá el verdadero potencial de la catálisis del campo eléctrico. Un equipo de investigadores australianos y españoles ha emulado al rebelde Danny para "llenar de electricidad" el mundo de la química. Su trabajo, el cual ha sido publicado en la revista Nature, ha demostrado por primera vez que es posible acelerar una reacción química mediante el uso de campos eléctricos externos. “El sueño de los químicos es acelerar las reacciones químicas (menos las explosivas) y hacerlas selectivas”, explica el Dr. Florentino Borondo, investigador de la Universidad Autónoma de Madrid, a Hipertextual. Una frase que resume bien el objetivo del trabajo, que ha logrado por primera vez controlar reacciones químicas de tipo Diels Alder mediante el uso de electricidad estática.

El estudio, en el que han participado científicos del IBEC, la UB y dos universidades en Australia, se ha publicado en la revista Nature. El trabajo plantea una nueva forma de acelerar o catalizar las reacciones químicas mediante la aplicación de un campo eléctrico entre las moléculas reaccionantes. En concreto, la reacción estudiada fue una clásica, la de Diels-Alder (una de las más importantes en química orgánica para formar anillos de seis eslabones). Se llevó a cabo entre dos nanoelectrodos conteniendo las moléculas reactivas y bajo un campo eléctrico orientado en dos direcciones. Poder catalizar reacciones químicas es esencial, ya que de este modo se acelera la reacción, y por lo tanto, hace que sean más prolíficas y económicas en sus múltiples aplicaciones. La catálisis electrostática (usando campos eléctricos) es la forma menos desarrollada de la catálisis en química sintética, debido a que los efectos electrostáticos pueden ser fuertemente direccionales. Ayuda de la microscopía de efecto túnel Los investigadores en España y Australia resolvieron este problema mediante el uso de técnicas innovadoras basadas en microscopía de efecto túnel (STM). “Nuestro microscopio STM modificado nos permite la captura directa de moléculas individuales que reaccionan", dice Albert C. Aragonès, estudiante de doctorado en el IBEC y la UB y el primer autor del estudio. “Mediante el control de la orientación de las moléculas en relación con el campo eléctrico, hemos acelerado una reacción no-redox por primera vez”, añade Ismael. "El uso de campos eléctricos externos como 'catalizador' implica que se puede lograr la síntesis de moléculas que de otro modo no podrían llevarse a cabo de manera rentable en el laboratorio o en grandes instalaciones industriales", agrega Nadim Darwish, investigador Marie-Curie en el IBEC y en la UB. "Esto abre las puertas hacia la nueva tecnología química". Los autores adelantan que este trabajo puede ayudar a plantear una nueva forma de fabricar los compuestos químicos típicamente utilizados en la producción de medicamentos y materiales industriales, de una manera más rápida y económica que con las técnicas actuales.

La reacción química elegida por los científicos fue la reacción de Diels-Alder, una de las más importantes de la química orgánica. "Es una reacción que se utiliza para fabricar numerosos fármacos o en la síntesis de polímeros", explica a Hipertextual Ismael Díez, investigador de la Universitat de Barcelona y uno de los autores del estudio. El empleo de los campos eléctricos externos ha permitido multiplicar por cinco la velocidad de esta reacción química, un resultado que, según Díez, permitirá desarrollar reacciones químicas de este tipo de una manera "más rápida, limpia y barata". La reacción de Diels-Alder es "capital en la síntesis de productos orgánicos, típicamente ciclos de átomos de carbono con sustituyentes", aclara Florentino Borondo, catedrático de Química de la Universidad Autónoma de Madrid. Su importancia es de tal envergadura que sus descubridores, Otto Diels y Kurt Alder, recibieron el Premio Nobel en 1950. Borondo señala a este medio que "una buena parte de la química orgánica sintética se basa en ella porque proporciona un gran control sobre la estereoquímica (la disposición relativa de los átomos)". Controlar la velocidad de una reacción química como la de DielsAlder ya es posible mediante otros métodos de catálisis, como la adición de compuestos químicos o el uso de láseres. Sin embargo, según el profesor de la UAM, esta última estrategia es costosa y difícil de implementar. Ismael Díez comenta que existen reacciones químicas de tipo redox que son inducidas por campos eléctricos externos. Pero esta es la primera vez que se ha logrado demostrar experimentalmente que en una reacción química no redox es posible acelerar la generación de productos aplicando un voltaje entre dos puntos. Borondo añade que en la bibliografía existían muchos indicios de que esto era posible, por lo que "la idea ya había circulado por ahí". El catedrático de Química sostiene que el estudio demuestra esa posibilidad "en entornos nano". Una idea también compartida por Nazario Martín, catedrático de Química Orgánica de la Universidad Complutense de Madrid, que aclara que "las evidencias experimentales que muestran parecen bastante concluyentes, aunque dejen interrogantes abiertos". A su juicio, el trabajo es interesante, ya que la catálisis electrostática de este tipo no ha sido demasiado explorada por los químicos orgánicos. Los resultados, que en opinión de Borondo tienen una gran importancia a nivel de conocimiento fundamental, no permiten por ahora trasladar esta aplicación a escala

industrial. "De momento no se puede abrir una fábrica con el método", aclara Borondo a Hipertextual. Martín, por otro lado, señala que la prueba de concepto se ha realizado a nivel de una molécula, por lo que en el futuro se deberá probar que este método también funciona "en la parte macroscópica" y explorar su utilidad en reacciones químicas parecidas. Según Díez, las conclusiones del estudio sí podrían en el futuro mejorar procesos como el desarrollo de fármacos o la síntesis de polímeros para la construcción. Y es que, como concluye el científico de la UAM, "el sueño de los químicos es acelerar las reacciones químicas (menos las explosivas) y hacerlas selectivas". Un sueño que hoy se impregna de la banda sonora de Grease para conseguirlo BIBLIOGRAFIA: Albert C. Aragonès, Naomi L. Haworth, Nadim Darwish, Simone Ciampi, Nathaniel J. Bloomfield, Gordon G. Wallace, Ismael Diez-Perez, Michelle L. Coote. "Electrostatic catalysis of a Diels–Alder reaction". Nature, 531: 88–91, 3 de marzo de 2016.