Descubren un factor oculto que transforma reacciones químicas y mejora su eficiencia

Un grupo de científicos de la Universidad Nacional de Seúl ha identificado un factor oculto que determina el éxito o fracaso de las reacciones químicas. Al controlar pequeñas variaciones en la acidez cerca de los electrodos, lograron aumentar la producción de compuestos químicos valiosos, elevando la proporción del producto deseado de aproximadamente 16% a 97%.

Este avance, liderado por el profesor Jaeyune Ryu del Departamento de Ingeniería Química y Biológica, podría hacer que la fabricación química sea más segura, limpia y eficiente. Los investigadores desarrollaron un método que utiliza oxígeno y electricidad para producir compuestos utilizados en plásticos, medicamentos, adhesivos y otros materiales cotidianos, sin necesidad de añadir oxidantes peligrosos.

El descubrimiento se centra en un factor sorprendentemente ignorado, denominado "pH local", que describe la acidez o alcalinidad en las inmediaciones de un electrodo. Al rediseñar un reactor químico para controlar la distancia entre los electrodos y el movimiento del líquido a través del sistema, el equipo encontró una manera de gestionar estas condiciones y mejorar notablemente el rendimiento de la reacción.

La investigación se enfocó en dos importantes familias de productos químicos: los lactonas y los epóxidos. Las lactonas son materiales de partida esenciales para plásticos biodegradables y poliuretanos, mientras que los epóxidos se utilizan para fabricar adhesivos, recubrimientos protectores y resinas epóxicas que se encuentran en materiales electrónicos. Ambos también desempeñan papeles importantes en la producción de productos farmacéuticos y otros químicos especializados.

Los hallazgos fueron publicados en el Journal of the American Chemical Society (JACS), una de las revistas de química más destacadas.

La química oculta que puede definir el éxito de una reacción

La investigación se basa en una técnica conocida como electrosíntesis orgánica, que utiliza energía eléctrica para impulsar reacciones que producen compuestos químicos basados en carbono. Este enfoque ha atraído un creciente interés porque puede reducir la necesidad de algunos agentes oxidantes y reductores químicos comúnmente utilizados en la fabricación tradicional.

Hasta ahora, gran parte del esfuerzo para mejorar la electrosíntesis orgánica se había centrado en factores conocidos, como el voltaje eléctrico, los materiales utilizados para los electrodos y la composición del líquido en el que ocurren las reacciones. Sin embargo, los investigadores sospechaban que algo importante había sido pasado por alto: el entorno químico microscópico directamente al lado de cada electrodo.

En esta área, las moléculas intercambian electrones y experimentan transformaciones químicas. Aunque la solución circundante puede parecer uniforme, las condiciones dentro de esta pequeña región pueden ser dramáticamente diferentes. Un factor particularmente importante es el pH, que mide cuán ácido o alcalino es una sustancia.

Durante una reacción electroquímica, se pueden producir o consumir iones de hidrógeno, también conocidos como protones, en los electrodos. Si estos iones se generan o eliminan más rápido de lo que pueden moverse a través del líquido, el pH cerca del electrodo puede diferir significativamente del pH medido en el resto de la solución.

Los investigadores encontraron que estas diferencias locales pueden influir en varias partes críticas de una reacción. Pueden cambiar la producción de especies reactivas de oxígeno, alterar el comportamiento de las moléculas iniciales e incluso afectar si los productos finales permanecen estables o comienzan a descomponerse. En otras palabras, una reacción puede fallar incluso cuando la solución general parece tener las condiciones químicas adecuadas.

Un problema pasado por alto puede afectar muchas reacciones químicas

Para determinar si este fenómeno podría extenderse más allá de sus propios experimentos, los investigadores examinaron más de 600 artículos científicos sobre electrosíntesis orgánica publicados desde 2010. Encontraron que aproximadamente el 89% de los estudios involucraron reacciones en uno o más electrodos en los que se transfirieron tanto electrones como protones.

Esto es relevante porque el movimiento de protones puede cambiar la acidez local. El hallazgo sugiere que las diferencias de pH pasadas por alto cerca de los electrodos podrían influir en una amplia gama de reacciones electroquímicas, no solo en unos pocos ejemplos especializados.

El equipo también midió cuán extremas podrían llegar a ser estas diferencias. Incluso cuando la solución general era esencialmente neutra, los investigadores estimaron que las condiciones cerca del cátodo, donde ocurre la reducción, podrían alcanzar aproximadamente un pH de 11, creando un ambiente fuertemente alcalino. Mientras tanto, la región alrededor del ánodo, donde tiene lugar la oxidación, podría alcanzar aproximadamente un pH de 2.5, generando un entorno fuertemente ácido.

Estos cambios pueden tener consecuencias importantes. En tales condiciones, las especies reactivas de oxígeno necesarias para impulsar una reacción pueden volverse menos disponibles. Los materiales de partida pueden cambiar de forma química, y los productos recién formados pueden descomponerse más rápidamente. Simplemente ajustar la acidez de toda la solución puede no resolver el problema. Lo que importa es el entorno directamente alrededor de los electrodos, donde realmente ocurre la química.

Produciendo químicos valiosos con oxígeno y electricidad

Para demostrar su descubrimiento, los científicos investigaron un proceso químico bien establecido llamado oxidación de Baeyer-Villiger. Esta reacción añade un átomo de oxígeno a un tipo de molécula orgánica conocida como cetona, convirtiéndola en un éster o lactona. Las lactonas son compuestos en forma de anillo que sirven como bloques de construcción importantes para materiales como plásticos biodegradables y poliuretanos.

Tradicionalmente, la oxidación de Baeyer-Villiger a menudo requiere productos químicos oxidantes altamente reactivos, incluidos perácidos. Aunque son efectivos, estas sustancias pueden generar dificultades en cuanto a su manipulación segura, residuos químicos y tratamiento de subproductos no deseados.

El equipo de la Universidad Nacional de Seúl desarrolló un enfoque diferente. En lugar de suministrar estos oxidantes desde fuera del sistema, los investigadores utilizaron electricidad para activar el gas oxígeno en un electrodo. Esto produjo especies reactivas de oxígeno capaces de transferir átomos de oxígeno a las moléculas orgánicas.

Para establecer de dónde provenía el oxígeno en los productos finales, el equipo realizó experimentos de trazado de isótopos. Estas pruebas confirmaron que el oxígeno incorporado provenía del gas oxígeno y no del agua.

Los científicos también descubrieron que los dos electrodos podían trabajar juntos de manera importante. En el cátodo, la reducción de oxígeno genera especies reactivas de oxígeno que inician la reacción de transferencia de oxígeno. El peróxido de hidrógeno formado durante este proceso puede convertirse de nuevo en especies reactivas de oxígeno en el ánodo. Esta cooperación ayuda a mantener el suministro de especies químicas reactivas necesarias para la reacción.

Sin embargo, todo el proceso depende en gran medida de la acidez cerca de los electrodos. Si el pH local se vuelve demasiado extremo, la química puede volverse mucho menos efectiva.

Un rediseño simple del reactor aumenta la selectividad del 16% al 97%

Una vez que los investigadores comprendieron la importancia del pH local, investigaron cómo controlarlo. Utilizando simulaciones por computadora y mediciones electroquímicas, desarrollaron un diseño de reactor que coloca los electrodos más cerca mientras permite que el electrolito, el líquido conductor de electricidad que transporta los ingredientes de la reacción, fluya entre ellos. La idea era evitar que se desarrollaran diferencias de acidez extremas.

Debido a que la zona cerca del ánodo tiende a volverse ácida mientras que la zona cerca del cátodo se vuelve alcalina, acercar estas regiones y hacer circular el líquido ayuda a contrarrestar sus efectos. Los resultados fueron sorprendentes. Bajo condiciones donde las diferencias de pH local no se controlaron efectivamente, aproximadamente el 16% de los productos relevantes formados fueron el compuesto objetivo deseado. Con el diseño mejorado del reactor, esa selectividad aumentó a aproximadamente 97%.

Este aumento en la selectividad significa que la reacción se volvió mucho mejor en la producción de la sustancia deseada en lugar de productos no deseados. Los investigadores también descubrieron que cambiar el flujo del electrolito tuvo un efecto poderoso en la producción. A través de las tasas de flujo que probaron, la cantidad de producto generado por unidad de tiempo aumentó aproximadamente 14 veces desde la tasa más baja hasta la más alta.

Acercar los electrodos también marcó la diferencia. Cuando la distancia entre ellos se redujo de 20 mm a 4 mm, la tasa de producción aumentó aproximadamente 2.2 veces. Quizás lo más revelador fue lo que sucedió cuando no se permitió que el líquido fluyera. A pesar de que el voltaje aplicado y la composición de la solución permanecieron sin cambios, los investigadores obtuvieron casi ninguno del producto deseado. Esto mostró cuán importante puede ser el entorno químico inmediato. El éxito de una reacción electroquímica depende de más que los ingredientes, el voltaje y los materiales de los electrodos. El diseño físico del reactor y las condiciones microscópicas que crea pueden ser igualmente críticas.

Aplicaciones para plásticos biodegradables, medicamentos y electrónica

Los investigadores luego exploraron si su enfoque podría utilizarse para fabricar diferentes tipos de productos químicos útiles. Utilizando sus condiciones optimizadas, sintetizaron con éxito lactonas a partir de 18 compuestos de cetona diferentes. Un ejemplo importante fue el ε-caprolactona, que produjeron con un rendimiento del 82%. Este compuesto es un material de partida para el policaprolactona, un polímero biodegradable utilizado en aplicaciones médicas como suturas quirúrgicas y sistemas de liberación de medicamentos.

Los investigadores también aplicaron su estrategia de control de pH local a la producción de epóxidos, obteniendo productos con éxito a partir de seis diferentes materiales de partida alquenos. Los epóxidos son ingredientes importantes en adhesivos, recubrimientos superficiales y resinas epóxicas utilizadas en electrónica. También son intermediarios valiosos en la producción de productos farmacéuticos y químicos finos. Juntos, estos experimentos demostraron que controlar el entorno microscópico alrededor de los electrodos podría tener aplicaciones más allá de una sola reacción.

Los hallazgos sugieren una forma potencialmente versátil de mejorar la producción de muchos ingredientes químicos comercialmente importantes.

Hacia una fabricación química más limpia y sostenible

Uno de los aspectos más prometedores de la técnica es que utiliza oxígeno y electricidad mientras reduce la necesidad de oxidantes peróxido añadidos externamente. Las reacciones también se llevan a cabo a temperatura ambiente y presión atmosférica normal, evitando la necesidad de equipos separados para calentar o presurizar el sistema. Estas características podrían hacer que ciertos procesos químicos sean más simples y potencialmente más seguros. Dado que la electricidad proporciona la energía necesaria para impulsar las reacciones, el enfoque podría eventualmente combinarse con fuentes de energía renovable para apoyar una fabricación química más sostenible.

Los investigadores creen que los ingredientes farmacéuticos y otros productos químicos especiales de alto valor podrían ser aplicaciones particularmente prometedoras. Estos productos a menudo requieren un control cuidadoso de las condiciones de reacción y estrictas medidas de seguridad. Los métodos electroquímicos pueden ofrecer ventajas al limitar la necesidad de manejar agentes oxidantes peligrosos y permitir potencialmente la producción en equipos relativamente compactos.

Sin embargo, la tecnología aún no está lista para un uso industrial generalizado. Se necesitarán más optimizaciones y pruebas a escalas de producción más grandes para determinar si los resultados de laboratorio pueden reproducirse de manera económica y confiable en la fabricación comercial.

Una nueva forma de pensar sobre las reacciones químicas

Más allá de sus aplicaciones inmediatas, el descubrimiento ofrece una perspectiva diferente sobre cómo deben diseñarse las reacciones electroquímicas. Tradicionalmente, los investigadores se han concentrado en elegir los materiales de partida correctos, catalizadores, superficies de electrodos, voltajes y composiciones de solución. Los hallazgos del equipo de la Universidad Nacional de Seúl indican que controlar el entorno diminuto donde realmente reaccionan las moléculas puede ser igual de importante. Esto cambia la atención hacia "diseñar el entorno en el que las moléculas realmente reaccionan".

El profesor Jaeyune Ryu, quien supervisó la investigación, afirmó: "Este estudio transforma el 'pH local' cerca del electrodo de una variable oculta en un principio de diseño controlable". Agregó: "Para mejorar la eficiencia de la electrosíntesis orgánica, necesitamos diseñar no solo los sustratos de reacción y los catalizadores, sino también el entorno en el que las moléculas realmente reaccionan".

Los investigadores creen que este principio podría revelar oportunidades para mejorar otros procesos electroquímicos, particularmente aquellos que involucran el movimiento de electrones y protones. En lugar de tratar la acidez local como un efecto secundario inevitable, los futuros reactores químicos podrían diseñarse deliberadamente para mantener condiciones que favorezcan las reacciones deseadas.

Los co-primeros autores del estudio fueron Seonghyeon Min y Junghoon Lee, ambos estudiantes de maestría en el Departamento de Ingeniería Química y Biológica de la Universidad Nacional de Seúl. Hanju Kim, un estudiante integrado de maestría y doctorado, participó como coautor, con el profesor Ryu supervisando la investigación. Min y Lee planean continuar investigando cómo los entornos de reacción locales influyen en la electrosíntesis orgánica, con el objetivo de extender el enfoque a una gama más amplia de reacciones químicas y procesos de fabricación.

La investigación fue apoyada por la Universidad Nacional de Seúl, la Fundación Nacional de Investigación de Corea y el Instituto de Ciencia Básica (IBS).

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