Un equipo de investigación de la Universidad Northwestern ha revelado un nuevo enfoque para realizar reacciones químicas, uno que no requiere contacto directo con un catalizador.
En las reacciones catalíticas típicas, el catalizador, la sustancia que aumenta la velocidad de una reacción química, y los reactivos del sustrato deben estar presentes en el mismo medio y en contacto directo entre sí para producir una reacción. El nuevo equipo de investigaciónel sistema demuestra una reacción química producida a través de un intermediario creado por una reacción química separada. Los resultados podrían tener aplicaciones en la remediación ambiental y la producción de combustible.
"Mejorar nuestra comprensión de la relación catalizador-intermediario-reacción podría ampliar enormemente las posibilidades de reacciones catalíticas", dijo Harold Kung, profesor de Ingeniería Química y Biológica Walter P. Murphy en la Escuela de Ingeniería McCormick, quien dirigió la investigación."Al saber que una reacción química puede tener lugar sin contacto directo con un catalizador, abrimos la puerta al uso de catalizadores de elementos abundantes en la tierra para realizar reacciones que normalmente no catalizarían".
El estudio, titulado "Catálisis sin contacto: iniciación de la oxidación selectiva de etilbenceno por la epoxidación de cicloocteno facilitada por el grupo Au", se publicó el 31 de enero en la revista Avances científicos . Mayfair Kung, profesora asociada de investigación de ingeniería química y biológica, fue coautora del artículo. Linda Broadbelt, profesora Sarah Rebecca Roland de Ingeniería Química y Biológica y decana asociada de investigación, también contribuyó al estudio.
La investigación se basa en trabajos previos en los que el equipo investigó la oxidación selectiva de cicloocteno, un tipo de hidrocarburo, utilizando oro Au como catalizador. El estudio reveló que la reacción fue catalizada por nanoclusters de oro disueltos.Los investigadores se propusieron investigar qué tan bien los grupos de oro podrían catalizar la oxidación selectiva de otros hidrocarburos.
Utilizando una plataforma que desarrollaron llamada Sistema de catálisis sin contacto NCCS, los investigadores probaron la efectividad de un catalizador de oro contra el etilbenceno, un compuesto orgánico prevalente en la producción de muchos plásticos. Mientras que el etilbenceno no experimentó ninguna reacción en presencia decúmulos de oro, el equipo descubrió que cuando los cúmulos de oro reaccionaban con el cicloocteno, la molécula resultante proporcionaba el intermediario necesario para producir la oxidación de etilbenceno.
"Las dos reacciones son totalmente independientes entre sí", dijo Kung. "Vimos que los nanoclusters de oro y el cicloocteno eran ineficaces para oxidar el etilbenceno por sí mismos. El contacto directo no provocó que la reacción continuara. Por lo tanto,la reacción intermedia fue necesaria "
Al demostrar cómo los catalizadores normalmente ineficaces pueden hacerse efectivos en una reacción a través de un intermediario, los investigadores creen que es posible diseñar sistemas utilizando catalizadores que están físicamente separados de un medio de reacción que de otro modo dañaría el catalizador. Este nuevo enfoque podría proporcionaruna solución efectiva en la remediación ambiental, como la limpieza de un río contaminado, donde algunos componentes en el agua pueden ser venenosos para el catalizador.
"Podría usar una membrana para separar el catalizador del medio, luego usar el catalizador para generar un intermediario que pueda pasar a través de la membrana y degradar el contaminante de una manera más segura", dijo Kung.
El trabajo también abre la puerta a una mayor libertad en la producción química industrial. La capacidad de conducir reacciones paralelas acopladas sin las restricciones de la estequiometría tradicional - las relaciones estrictas basadas en la cantidad entre los productos de reacción - podría hacer que los procesos de cooxidación de hidrocarburos industrialesmás versátil, eficiente y rentable. Estos procesos son vitales en la producción de gasolina y la conversión de gas natural en combustible líquido y otros productos químicos.
El siguiente paso del equipo de investigación es determinar la reactividad del oro frente a otros hidrocarburos de diferentes fuerzas de enlace. También esperan saber si se puede aplicar un fenómeno similar a otros metales, como la plata o el cobre.
"Todavía no estamos allí, pero una vez que comprendamos la relación entre la reactividad de los racimos de oro hacia los hidrocarburos y la fuerza de los enlaces, podremos predecir y diseñar otros sistemas de reacción química", dijo Kung.
El trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencias Básicas de Energía dentro de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de los EE. UU. Número de concesión DOE DE-FG02-03-ER15457.
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Materiales proporcionado por Universidad del Noroeste . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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