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Investigadores del Institute of Science and Technology Austria (ISTA) han desarrollado un nuevo sistema catalítico basado en níquel que, activado mediante luz visible, permite formar una amplia variedad de enlaces químicos utilizando cantidades muy reducidas de metal.
El avance, publicado en Nature Catalysis, abre una vía para hacer más eficientes y potencialmente más sostenibles determinados procesos de síntesis química, especialmente aquellos relacionados con la fabricación de productos farmacéuticos y químicos finos.
El trabajo ha sido desarrollado por el grupo dirigido por Bartholomäus Pieber, en colaboración con Aleksander Bena y otros investigadores del ISTA, junto con Daniel Bím, de la University of Chemistry and Technology de Praga. El equipo ha diseñado un nuevo ligando que permite mejorar el comportamiento catalítico del níquel y superar algunas de las limitaciones que hasta ahora habían dificultado el uso de este metal en determinadas reacciones de acoplamiento.
Estas reacciones son fundamentales en química sintética, ya que permiten unir diferentes bloques moleculares para construir estructuras más complejas. Se utilizan, entre otros ámbitos, en la elaboración de principios activos farmacéuticos, agroquímicos y materiales. Tradicionalmente, muchas de estas transformaciones se realizan mediante catalizadores de paladio, un metal que ofrece una elevada eficiencia pero que es escaso y costoso. El níquel, en cambio, es más abundante y económico, aunque sus sistemas catalíticos habían presentado problemas de eficiencia y de compatibilidad con determinados sustratos.
“En nuestro laboratorio intentamos comprender por qué los sistemas contemporáneos de catálisis con níquel presentan limitaciones y, basándonos en ese conocimiento, diseñamos, fabricamos y estudiamos candidatos y métodos alternativos”, explica Pieber. Esta línea de investigación permitió al equipo identificar algunos de los mecanismos responsables de la pérdida de actividad de los catalizadores de níquel y avanzar hacia sistemas capaces de trabajar con cargas metálicas mucho menores.
Uno de los elementos diferenciales del nuevo sistema es precisamente el empleo de luz visible para activar directamente el catalizador de níquel. En el laboratorio, lámparas LED azules proporcionan la energía necesaria para iniciar el proceso catalítico. El nuevo ligando, diseñado específicamente por el equipo, favorece la formación y estabilización de una especie activa de níquel que permite avanzar en la reacción.
La investigación parte de trabajos anteriores del propio grupo. En 2020, los investigadores demostraron que determinados problemas asociados a la degradación de los catalizadores podían evitarse mediante un control más preciso de las condiciones de reacción. Sin embargo, aquellos sistemas continuaban siendo lentos y necesitaban cantidades relativamente elevadas de níquel. “Por supuesto, todavía estábamos lejos de conseguir un método eficiente. Pero fue una prueba de concepto importante y, durante los últimos años, nuestra comprensión de estas reacciones catalíticas ha seguido mejorando”, señala Pieber.
A partir de ese conocimiento, Aleksander Bena, investigador predoctoral, comenzó a diseñar estructuras destinadas a conseguir catalizadores de níquel más eficientes y robustos que pudieran activarse directamente mediante luz visible. El trabajo condujo finalmente a un nuevo ligando capaz de resolver algunas de las limitaciones que presentaban los sistemas anteriores.
“Me gusta el reto de resolver un rompecabezas químico. Desarrollas una idea, la pruebas experimentalmente y aprendes algo de cada resultado”, explica Bena.
Para comprobar la versatilidad del sistema, el equipo evaluó su comportamiento con un amplio conjunto de moléculas. Los investigadores consiguieron producir más de 150 compuestos, desde estructuras relativamente sencillas hasta moléculas complejas y derivados de principios activos farmacéuticos, entre ellos la fluoxetina.
El nuevo sistema permite establecer enlaces entre carbono y nitrógeno, oxígeno, azufre o fósforo, ampliando el abanico de transformaciones que pueden realizarse mediante esta estrategia de catálisis con níquel. El estudio también demuestra que el método puede utilizarse con nucleófilos estéricamente impedidos, que habían resultado especialmente difíciles de incorporar mediante otros sistemas de Ni(I)/Ni(III). Asimismo, los investigadores demostraron su aplicación en síntesis a escala de gramos y en modificaciones de moléculas complejas en etapas avanzadas de síntesis.
“El resultado más llamativo fue que podemos producir enlaces difíciles de forma eficiente con una cantidad muy pequeña del catalizador de níquel”, destaca Bena.
Uno de los principales resultados cuantitativos del estudio es la posibilidad de reducir la carga de catalizador hasta 100 partes por millón, equivalentes al 0,01 % molar. En términos prácticos, los investigadores señalan que una molécula del catalizador puede llegar a generar hasta 10.000 moléculas de producto.
Esta reducción resulta especialmente relevante desde el punto de vista del consumo de materias primas y del coste asociado a los metales empleados en los procesos catalíticos. El níquel presenta además la ventaja de ser un metal más abundante que el paladio, lo que refuerza el interés de la estrategia para determinadas aplicaciones de síntesis química.
“Estas bajas cargas de catalizador normalmente solo se consiguen con catalizadores basados en paladio. Poder lograrlo con un catalizador de níquel es realmente emocionante”, apunta Pieber. El investigador añade que “la combinación de una baja carga de catalizador y una elevada generalidad con muchos bloques de construcción podría hacer que este enfoque resulte especialmente interesante para la síntesis farmacéutica y de productos químicos finos”.
El trabajo, publicado el 29 de septiembre de 2026 en Nature Catalysis bajo el título Ligand design broadens Ni(I)-catalysed C(sp²)–heteroatom couplings of aryl bromides at low catalyst loadings, demuestra así cómo el conocimiento fundamental de la reactividad del níquel puede utilizarse para desarrollar sistemas catalíticos con menores cargas metálicas, activación mediante luz visible y una mayor variedad de aplicaciones en síntesis orgánica.
Fuente: Nature Catalysis
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