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Investigadores de la Universidad de Utrecht, el Departamento de Química y Biología Química de Harvard y la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson (SEAS) de Harvard han informado sobre un método previamente desconocido para mejorar la selectividad de las reacciones catalíticas.
El estudio, que fue publicado en catálisis natural, amplía el arsenal de opciones para aumentar la eficiencia de los catalizadores para una posible amplia gama de aplicaciones en diversas industrias, tales como: B. las industrias cosmética y farmacéutica.
La industria química depende de catalizadores para más del 90% de sus operaciones, y casi todos estos catalizadores consisten en nanopartículas esparcidas sobre un sustrato. Los investigadores han supuesto desde hace mucho tiempo que el tamaño de las nanopartículas individuales y la distancia entre ellas influyen en la velocidad de la reacción catalítica y en los productos producidos. Sin embargo, debido a que las nanopartículas tienden a moverse y aglomerarse durante la catálisis, ha sido difícil estudiar 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 equipo se han inspirado en la naturaleza para crear materiales porosos y altamente organizados para una variedad de procesos catalíticos.
Inspirándose en la estructura de las alas de las mariposas, los investigadores crearon una nueva plataforma catalizadora que incrusta ligeramente nanopartículas en el sustrato, atrapándolas para que no se muevan durante la catálisis, mientras deja expuesta la superficie restante de las nanopartículas, lo que les permite sufrir reacciones catalíticas. de manera efectiva y sin aglomeración.
Los investigadores descubrieron que la distancia entre las partículas tenía un impacto significativo en la selectividad de la reacción.
Muchas reacciones químicas de relevancia industrial siguen una cascada en la que la sustancia química A se convierte en la sustancia química B, que luego puede convertirse en la sustancia química C, etc. En algunos procesos catalíticos, el producto intermedio, la sustancia química B, es el objetivo, mientras que en otros es el producto final, la sustancia química C. La selectividad del catalizador se refiere a si favorece la producción del químico B o del químico C.
Kang Rui Garrick Lim, autor principal del estudio y estudiante de doctorado, Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson, Universidad de Harvard
Un ejemplo notable es la producción de alcohol bencílico, que se utiliza en todo, desde goma laca, pinturas y cuero hasta medicamentos intravenosos, cosméticos y tratamientos tópicos.
El alcohol bencílico es el intermedio de la sustancia química B, formado por la hidrogenación de benzaldehído (química A), que precede a la formación de tolueno (química C), otra molécula comúnmente utilizada pero menos valiosa. Para producir alcohol bencílico de forma eficaz, se debe evitar la formación de tolueno.
Actualmente, la reacción de hidrogenación catalítica se ralentiza o no se completa para garantizar que la reacción se detenga en B y produzca la menor cantidad de tolueno posible, lo que da como resultado más alcohol bencílico utilizable.
Lim añadió: “Generalmente, para producir estos productos químicos intermedios se hace que el catalizador sea menos reactivo y se ralentiza la reacción general, lo que no es nada productivo. Los catalizadores están diseñados para acelerar las cosas, no para ralentizarlas. Los catalizadores están diseñados para acelerar las cosas, no para ralentizarlas.«
Para ilustrar su plataforma, los investigadores utilizaron la síntesis catalítica de alcohol bencílico. Lim y sus colegas descubrieron que cuando las nanopartículas metálicas catalíticas se colocaban más separadas en el sustrato, la reacción era más específica de la molécula intermedia de alcohol bencílico. El producto final, el tolueno, fue el objetivo de la reacción, especialmente cuando las nanopartículas estaban más juntas.
La investigación muestra que la plataforma del catalizador bioinspirado podría modificarse fácilmente para una variedad de productos químicos intermedios o finales porque la distancia entre las nanopartículas puede alterarse artificialmente.
La catálisis es fundamental para la producción de una variedad de materiales extremadamente importantes utilizados en productos farmacéuticos, productos de consumo y en la fabricación de muchos de los productos que todos utilizamos en la vida cotidiana. Es extremadamente importante agregar esta herramienta de mejora de la selectividad al arsenal del químico. Esto permite una coordinación más eficaz de los procesos catalíticos, un uso más económico de las materias primas y al mismo tiempo reduce el consumo de energía y la generación de residuos. Esperamos que los químicos utilicen nuestra plataforma para optimizar aún más los procesos catalíticos nuevos y existentes.
Joanna Aizenberg, profesora Amy Smith Berylson de ciencia de materiales y profesora de química y biología química, Universidad de Harvard
Luego, el grupo utilizará la misma plataforma para investigar cómo el tamaño de las nanopartículas afecta la respuesta a distancias determinadas entre las nanopartículas.
La tecnología subyacente a esta investigación proviene del laboratorio del profesor Aizenberg y su propiedad intelectual está protegida por la Oficina de Desarrollo Tecnológico de la Universidad de Harvard.
Michael Aizenberg, Marta Perxes Perich y Jessi ES van der Hoeven, Sadhya Garg, Haichao Wu y Selina K. Kaiser fueron coautores del estudio.
Fue financiado en parte por la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa de EE. UU. (DTRA) con el número de subvención HDTR1211001612 y la Oficina de Ciencias, Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de EE. UU., a través del Centro de Investigación de Frontera Energética de Arquitecturas Integradas de Mesoescala para Catálisis Sostenible (IMASC).
Referencia de la revista:
Lim, GRK, et. Alabama. (2024) La proximidad de nanopartículas controla la selectividad en la hidrogenación de benzaldehído. Catálisis natural. doi:10.1038/s41929-023-01104-1
Fuente: https://seas.harvard.edu/
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