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Uno de los retos actuales de la industria química es encontrar métodos que faciliten la optimización de catalizadores que permitan el desarrollo de nuevos procesos químicos.
Normalmente, la optimización de catalizadores se basa en pruebas de ensayo y error, en las que las propiedades del catalizador se optimizan en un proceso lento y rutinario, en el que se buscan las mejores combinaciones entre el ligando y el metal, que son sus componentes básicos. Una vez que el catalizador ha sido optimizado, sus propiedades quedan fijadas y adaptadas para los requerimientos específicos de un proceso químico concreto.
Una alternativa muy interesante a este método es diseñar un catalizador que contenga un ligando cuyas propiedades se puedan modular con la aplicación de un estímulo externo. Esas propiedades, que se conocen como ´conmutables´ (del inglés switchable), son mucho más fáciles de modular y, por tanto, de adaptar a las necesidades específicas de cada reacción.
El grupo de Química Organometálica y Catálisis Homogénea (QOMCAT) de la Universitat Jaume I, ha diseñado, durante los últimos cuatro años, una serie de catalizadores multisensibles, que son capaces de adaptar sus propiedades a través de las aplicaciones de estímulos electroquímicos, luminosos, químicos y supramoleculares.
La adaptación de las propiedades del catalizador a través de un estímulo externo simplifica enormemente el proceso de optimización, y permite que un mismo catalizador se pueda utilizar para facilitar un gran número de transformaciones químicas. La estrategia del grupo QOMCAT ha sido sintetizar ligandos que combinan naftalendiimidas (NDIs) con carbenos N-heterocíclicos (NHCs).
Las NDIs son compuestos orgánicos muy sensibles a múltiples estímulos, como electroquímicos o luminosos, e incluso a la adición de aniones o aditivos supramoleculares. Y los ligandos NHC combinan una gran versatilidad coordinativa junto con una gran diversidad estructural, lo que permite que se pueda obtener una gran variedad de catalizadores de diferentes metales con una enorme versatilidad geométrica.
La segunda línea de investigación de este grupo se enmarca en lo que se conoce como química supramolecular. La química supramolecular es la rama de la química que estudia las interacciones supramoleculares, es decir, las interacciones entre moléculas, permite comprender el mundo biológico y ayuda a establecer los principios de la nanotecnología. Esta línea de investigación ha llevado al grupo QOMCAT a la obtención de resultados de gran relevancia, gran impacto y reconocimiento internacional.
En el año 2022, el grupo obtuvo un nuevo tipo de ´molécula entrelazada mecánicamente´ (MIM, de sus siglas en inglés), que consiste en el entrelazado de dos moléculas acíclicas. Esta molécula, a la que se ha llamado clipano, introduce un nuevo paradigma dentro de las MIM conocidas hasta el momento (catenanos y rotaxanos), ya que el tipo de enlace mecánico que se establece entre sus componentes es altamente novedoso.
Los resultados, destacados en numerosas revistas de divulgación científica, entre ellas, la prestigiosa revista Science, permiten dar un nuevo paso en el diseño de máquinas moleculares y abren las puertas al desarrollo de nuevos materiales con propiedades aún por descubrir.
El grupo QOMCAT también ha estudiado sistemas dinámicos, en los que una molécula confinada dentro de la cavidad de otra molécula de mayor tamaño experimenta un movimiento controlado. Comprender cuáles son los factores que determinan el movimiento de la molécula confinada (guest), dentro de la molécula que presenta la cavidad (host), son de vital importancia para diseñar sistemas en los que estos movimientos se puedan promover de forma dirigida y, por tanto, ser utilizados en el diseño de máquinas moleculares.
En el año 2024, el grupo diseñó una ´lanzadera molecular´ (molecular shuttle), en la que una molécula confinada en la cavidad de otra molécula de tamaño nanométrico experimentaba un movimiento de traslación cuya velocidad se podía controlar por la temperatura. Este resultado constituye un avance fundamental en el diseño de máquinas moleculares y tuvo gran repercusión científica.
En la votación organizada para elegir la molécula más relevante del año por la revista C&En News, la lanzadera molecular quedó en segundo lugar, tras la ciclodextrina del premio Nobel Sir Fraser Stoddart, y esta misma publicación, una de las más prestigiosas de divulgación en química, también publicó un artículo sobre este avance.
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