El truco químico de la cuerda a nivel molecular
En la mayoría de las reacciones químicas industriales, los catalizadores se combinan con los materiales de partida y los acompañan a través de etapas intermedias hasta llegar al producto. En química, esta vía se conoce como mecanismo de reacción y es como una caja negra: para empezar, nadie sabe qué está sucediendo a nivel molecular. Si el resultado de una reacción en el laboratorio es menor de lo esperado, los químicos primero recurren al ensayo y error. En pocas palabras, modifican la reacción para que funcione. Sin embargo, a veces es útil observar más de cerca el mecanismo de reacción, explica la Dra. Nora Janssen del Instituto Leibniz de Catálisis de Rostock utilizando un modelo de reacción. Recientemente publicó sus hallazgos, que obtuvo como parte de su tesis doctoral, en JACS, la reconocida revista de la American Chemical Society.
Una imagen simbólica de recipientes de reacción en un laboratorio.
lekat/gulki
La reacción típica suena poco espectacular y, sobre todo, extraña para el oído del profano, explica el Dr. Janssen: «Un benzotriazol, normalmente un inhibidor de la corrosión, se transforma en un nuevo material con un aleno (aquí el énfasis está en la segunda sílaba) mediante un compuesto de rodio. Catalizador.» Luego se llama alilbenzotriazol y puede usarse en una variedad de formulaciones. Esta reacción fue desarrollada por un grupo de investigación dirigido por el profesor Brett de la Universidad de Friburgo.
Grupo funcional estrictamente definido
Unos colegas de Friburgo lograron asignar con precisión un “grupo funcional” a un sitio muy específico del benzotriazol. Aquí se encuentra el enlace nitrógeno-hidrógeno (NH), explica el Dr. Janssen.
Los “grupos funcionales” son importantes como partes moleculares porque son responsables de un efecto específico, por ejemplo, un efecto farmacológico. «El equipo de Friburgo quería colocar un grupo de este tipo en el benzotriazol exactamente donde se encontraba el enlace NH, y el enlace NH tendría que dejar espacio para ello», continúa el Dr. Janssen. Los colegas pudieron hacer esto. «Pero no entendieron sobre qué base lo lograron».
eso es lamentable. Porque sólo comprendiendo los eventos moleculares se podrá aplicar y optimizar específicamente la reacción en el futuro. Éste era el objetivo de la tesis de Nora Janssen, que defendió con éxito en 2023 en Rostock.
Idea: el catalizador rompe enlaces
Entonces, ¿cómo funciona esta reacción? El principio y el final son conocidos. Lo que también se sabe acerca de esta reacción es que cada átomo del material de partida se encuentra posteriormente en el producto; Los químicos llaman a esta reacción «atómica económica». Esto significa que durante la reacción el hidrógeno debe pasar del enlace NH del benzotriazol al segundo iniciador, el aleno.
Dr. Janssen: «Los científicos de Friburgo creían que el catalizador rompe el enlace nitrógeno-hidrógeno, es decir, se produce la llamada adición oxidativa del benzotriazol. Los catalizadores de rodio son conocidos para este tipo de reacción». Nora Janssen probó la idea haciendo reaccionar primero el catalizador de rodio con un solo material de partida, el benzotriazol. Aisló muestras de esta reacción para espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) y análisis de la estructura cristalina de rayos X. El resultado: «El enlace NH no se rompe en absoluto. El benzotriazol permanece completamente intacto, simplemente se adhiere al catalizador».
El resultado: formato simple
Luego, el químico descubrió que un segundo material de partida, la aleína, también se unía al catalizador. Aquí ocurre lo siguiente: «Los dos materiales de partida entran en contacto directo entre sí y el benzotriazol transfiere el átomo de hidrógeno, también llamado protón, al aleno. El catalizador sólo mantiene los materiales de partida en su lugar, pero no No interferir directamente con este paso.» Posteriormente, el Dr. Janssen demostró esta propuesta en detalle utilizando la mecánica cuántica, es decir, mediante el modelado teórico de la trayectoria de reacción.
Nora Janssen se sorprendió de que el catalizador gestionara todo con tanta sencillez. Para los profanos, esto podría parecer un truco químico con una cuerda. Técnicamente, este proceso es bien conocido y se llama protonación.
Este proceso tenía una ventaja. Dr. Janssen: «Es interesante que las condiciones de reacción del protón puedan mejorarse significativamente añadiendo otra fuente de protones». Por ejemplo, bajé con éxito la temperatura de reacción de 80°C a temperatura ambiente añadiendo algún tipo de cocatalizador.
Demasiado no siempre ayuda demasiado
Nora Janssen también descubrió que el benzotriazol también puede bloquear el desencadenante en determinadas condiciones. Este es el caso cuando este material de partida ocupa el catalizador dos veces, de modo que el compañero de reacción, el aleno, no puede encontrar espacio libre en el catalizador. Esto paraliza la actividad catalítica y hace que el catalizador se «consuma». «Aquí puede resultar útil simplemente añadir el material de partida a la reacción sucesivamente para que el catalizador esté menos en contacto con él».
Nora Janssen ya no tuvo tiempo de probar experimentalmente esta propuesta para continuar el trabajo de sus colegas de Friburgo. Actualmente trabaja como investigadora postdoctoral en la Universidad de Oxford.
