En la búsqueda constante de sistemas más eficientes y respetuosos con el medio ambiente para la manipulación de reacciones químicas, un equipo de investigadores del Instituto de Química Física de la Academia de Ciencias de Polonia, liderado por el Prof. Volodymyr Sashuk, ha introducido un concepto revolucionario para el control de la catálisis utilizando luz como principal agente regulador. Este enfoque podría cambiar radicalmente nuestra capacidad para controlar procesos químicos industriales y de laboratorio, presentando una alternativa viable a los métodos basados en modificadores químicos.

La naturaleza, con su capacidad innata para regular procesos bioquímicos complejos a través de enzimas, sigue siendo una fuente de inspiración para los científicos. Los enzimas, catalizadores naturales, regulan actividades vitales dentro de las células mediante la interacción con moléculas orgánicas y iones metálicos que pueden incrementar o reducir su actividad catalítica. Este delicado equilibrio es esencial para mantener la armonía en las cascadas de reacciones químicas dentro de las células.

Los científicos, en su afán de emular estas capacidades reguladoras naturales, han enfrentado desafíos significativos, especialmente en la implementación de sistemas que permitan alternar entre la aceleración y la inhibición de la catálisis sin detener completamente la actividad del catalizador o sin la necesidad de químicos adicionales. El estudio publicado en ACS Catalysis propone un método innovador que promete superar estas limitaciones utilizando luz para controlar de manera precisa y eficiente la catálisis.

“Demostramos que la catálisis se puede controlar ocultando el catalizador dentro de una monocapa orgánica que envuelve a la superficie de la mayoría de las nanopartículas inorgánicas. Gracias a eso, se puede lograr la supresión completa de la actividad catalítica”, afirma el prof. Volodymyr Sashuk.

Control lumínico de la catálisis

Los investigadores se centraron en cambiar las reacciones de encendido/apagado utilizando el material nanoestructurado, con la catálisis capaz de encenderse o apagarse empleando una longitud de onda específica, actuando como un «interruptor de luz».

El material se basó en nanopartículas de oro (Au NP) de ~3 nm de tamaño decoradas en su superficie con complejos de carbeno orgánico N-heterocíclico (NHC) a base de rutenio a través de un fuerte enlace Au-S entre los AuNP y los ligandos de tiol. La singularidad del material propuesto radica en su composición, en la que un tiol voluminoso (PT) crea un obstáculo estérico, mientras que un tiol que contiene azobenceno (SAT) soporta un complejo de rutenio Hoveyda-Grubbs, llamado precatalizador, que inicia el proceso catalítico al reaccionar con el sustrato. 

El nanosistema diseñado es fotosensible a un rango específico de luz, lo que permite al precatalizador cambiar su posición dentro de la monocapa orgánica y controlar el acceso al sustrato y la catálisis a través de la estimulación electromagnética.

Así, en presencia de luz visible o en la oscuridad, el precatalizador a base de rutenio se expone a la solución, iniciando y manteniendo la reacción de metátesis. Por el contrario, cuando el sistema se somete a irradiación ultravioleta, el ligando azoico se somete a una isomerización, actuando como un «botón» para evitar la activación del precatalizador. Esto se ve facilitado por un diseño de material en el que los anillos de fenilo de ligandos PT obstruyen el acceso al precatalizador, ocultándolo de la solución e inhibiendo efectivamente el proceso catalítico.

Implicaciones y aplicaciones futuras

El mecanismo propuesto ha sido respaldado por simulaciones teóricas realizadas por científicos de la Universidad de Trieste, quienes confirmaron que la superficie de las nanopartículas de oro revestidas con anillos fenílicos ofrece una protección superior contra moléculas entrantes en comparación con cadenas alifáticas. Esta capacidad de desactivar rápidamente y de manera eficiente el catalizador sin el uso de químicos adicionales abre nuevas posibilidades para el control de la tasa de reacción y la mejora de la selectividad química.

El método propuesto permite, por tanto, una desactivación rápida y altamente eficiente del catalizador sin el uso de productos químicos adicionales, y permite el control de la velocidad de reacción. El enfoque interdisciplinario del equipo ha sido clave para el desarrollo de este sistema, que se espera tenga aplicaciones significativas en diversos campos, especialmente en aquellos que requieren un alto grado de selectividad en la síntesis química. 

Puede acceder al paper de la investigación a través del siguiente enlace:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.3c04435

Créditos de imágenes: Grzegorz Krzyzewski