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New Directions in Sustainable Catalysis by Metal Complexes

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Reacciones catalíticas novedosas para hacer del mundo un lugar más verde y limpio

La investigación sobre el desarrollo de catalizadores ecológicos ayudará a hacer que muchas industrias clave sean más respetuosas con el medio ambiente. El proyecto financiado con fondos europeos SUSCAT ha realizado unas contribuciones impresionantes a esta investigación, lo que incluye el desarrollo de nuevas reacciones catalíticas sostenibles para la síntesis de productos químicos ecológicos, y hacia el desarrollo del almacenamiento y el uso eficientes y seguros del hidrógeno como vector de energía verde.

Cambio climático y medio ambiente
Energía
Investigación fundamental

El proyecto SUSCAT (New Directions in Sustainable Catalysis by Metal Complexes), financiado por el Consejo Europeo de Investigación (CEI), se basa en diversos campos, como la química organometálica fundamental, la química de compuestos de coordinación, la síntesis orgánica, la cinética, la espectroscopía, la catálisis y los cálculos de la teoría del funcional de la densidad, que se basan en computación mecánica cuántica. «En general, el objetivo principal de SUSCAT era descubrir y luego desarrollar reacciones catalíticas novedosas, sostenibles e inocuas para el medio ambiente», comienza David Milstein, investigador principal del proyecto, profesor y poseedor de la Cátedra Profesional Israel Matz de Química Orgánica en el Instituto Científico Weizmann. «Dichas reacciones son útiles para la metodología de síntesis orgánica ecológica, que no genera residuos y usa sustratos sostenibles, así como para el desarrollo de sistemas de líquido orgánico portador de hidrógeno (LOHC, por sus siglas en inglés)».

Aumento de catalizadores satisfactorios

El método de desarrollo de catalizadores usado por SUSCAT se basa en un enfoque mecanicista que emplea tanto métodos experimentales como computacionales. El uso de complejos de pinza como catalizadores ha sido especialmente significativo para su labor. En resumen, los complejos de pinza son una familia de compuestos que han tenido un impacto importante sobre el desarrollo catalítico reciente de métodos sintéticos orgánicos gracias a su estabilidad y capacidad de modos de reactividad versátiles. El equipo de SUSCAT ha usado estos complejos de pinza para ser los primeros en utilizar varias reacciones catalíticas ecológicas y sostenibles útiles para la síntesis orgánica que pueden ser viables para sustituir procesos contaminantes. «Por ejemplo, una de nuestras reacciones sin parangón recientemente desarrolladas es catalizada por un novedoso complejo de pinza de manganeso y conduce a una familia de compuestos (derivados del acrilonitrilo) que son intermediarios valiosos en la síntesis orgánica de diversos productos, como tintes, herbicidas, fragancias, fármacos y productos naturales», afirma Milstein. «Los métodos tradicionales para producir estos productos generan residuos dañinos, por lo que nuestro nuevo método es verdaderamente ecológico y mejor para el medio ambiente». Otro ejemplo de los éxitos de SUSCAT en cuanto a reacciones catalíticas ecológicas incluye una síntesis directa, de un solo paso y sin residuos de amidas (fundamentales para la industria farmacéutica, aunque la síntesis tradicional de las amidas genera muchos residuos) y una feliz consecuencia: la producción de valioso gas de hidrógeno. Un tercer ejemplo (muy significativo desde el punto de vista medioambiental) de una reacción conseguida por SUSCAT es la despolimerización hidrogenativa sin precedentes de náilones robustos y ampliamente utilizados para formar aminoalcoholes, catalizados de manera eficiente por un complejo de pinza de rutenio. «Los náilones se utilizan ampliamente y no son biodegradables, lo que ha aumentado la contaminación en los océanos y en tierra firme, y supone una grave amenaza para los ecosistemas», comenta Milstein. «Por eso son tan importantes nuestros logros, pues los aminoalcoholes pueden polimerizarse de nuevo a náilones de similar peso molecular y proporcionar así un circuito cerrado sostenible y ecológico para el reciclaje de los residuos de nailon».

La conexión del hidrógeno

SUSCAT también ha estado al frente del desarrollo de un nuevo sistema de LOHC para almacenar hidrógeno de forma segura y sostenible y poder usarlo luego como vector de energía verde. «El hidrógeno se considera un vector de energía verde atractivo debido a su elevada capacidad de energía gravimétrica y al hecho de que solo genera agua en su combustión», explica Milstein. «Sin embargo, su capacidad de energía volumétrica es muy baja, por lo que debe almacenarse (por ejemplo, en los coches) a una presión muy elevada si está en estado gaseoso o como líquido a muy baja temperatura (-253 °C), lo cual cuesta una inversión energética considerable y puede ser peligroso. Usar sistemas de LOHC puede evitar estos problemas». La solución de SUSCAT se basa en el hecho de que muchas de las reacciones del proyecto generan o consumen gas de hidrógeno y, como siguiente paso natural, desarrollaron un sistema de LOHC para el almacenamiento de hidrógeno. «La capacidad teórica del hidrógeno de este sistema es de 6,5 wt%, lo que está por encima del objetivo del Departamento de Energía de los Estados Unidos de almacenamiento de hidrógeno a bordo de vehículos ligeros, que es de 5,5 wt%», continúa Milstein. «Aunque no es necesario desarrollar más nuestro sistema de LOHC, creemos que tiene el potencial de ser uno de los mejores sistemas de LOHC, gracias a su uso de un único catalizador, sus condiciones operativas suaves, su compatibilidad con la infraestructura y las gasolineras existentes, y a ser un vector de hidrógeno sostenible, abundante y barato». De cara al futuro, Milstein y su equipo planean seguir trabajando en nuevas reacciones catalíticas para la síntesis y el hidrógeno ecológicos, posiblemente en colaboración con socios de la industria. «De lo que más orgulloso estoy respecto a SUSCAT es que esperamos haber contribuido al desarrollo de un mundo verdaderamente más ecológico», concluye Milstein.

Palabras clave

SUSCAT, catalizadores, síntesis orgánica, complejo de pinza, hidrógeno, almacenamiento de hidrógeno, LOHC, CEI

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