Un equipo del Instituto de Tecnología Química (ITQ), centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universitat Politècnica de València (UPV), junto con el departamento de Química Orgánica de la Facultad de Farmacia de la Universitat de València (UV), han desarrollado un nuevo catalizador, una sustancia que acelera una reacción química sin ser consumida en el proceso, que permite obtener lactamas, compuestos esenciales para las industrias farmacéutica y de polímeros.
El sistema lo hace además de una manera "sostenible", "a partir de compuestos orgánicos muy accesibles y generando solo agua como subproducto de la reacción". El avance se publica en la revista 'Nature Communications', según han informado el CSIC y la UV.
Las lactamas son grupos funcionales presentes en la estructura de moléculas orgánicas "muy relevantes". De hecho, son amidas, sustancias que constituyen "parte esencial" de las proteínas, y sin ellas la vida no sería posible. Además, son "muy importantes" para la industria farmacéutica: la penicilina es una lactama y entre los diez fármacos más vendidos en el año 2022, tres de ellos eran lactamas.
"En este trabajo hemos sido capaces de desarrollar el primer sistema catalítico de amplia aplicabilidad para obtener de manera práctica, sostenible y selectiva lactamas a partir de compuestos orgánicos muy accesibles e hidrógeno, donde el sustrato de partida, en este caso una imida cíclica, sufre un proceso de hidrogenación generando agua como único subproducto de la reacción", ha explicado José Ramón Cabrero Antonino, científico titular del CSIC en el ITQ y autor de correspondencia del trabajo.
El sistema catalítico funciona gracias a que uno de los metales presentes en el material, la plata, es capaz de transformar químicamente al otro metal, el renio, en presencia de hidrógeno. Cuando esto ocurre, ambos metales cooperan para trasladar hidrógeno en forma de gas a la estructura del compuesto de partida (el compuesto orgánico imida cíclica) y transformarlo en una lactama, el producto buscado.
En este proceso, parte del hidrógeno se incorpora a la molécula y la otra parte genera agua mediante su combinación con el átomo de oxígeno procedente del producto de partida. El equipo de investigación ha estudiado en detalle no solo la estructura del catalizador heterogéneo desarrollado, sino también su proceso de activación y el mecanismo por el que transcurre la transformación catalítica. Este tipo de aproximación racional a la catálisis heterogénea aplicada a química orgánica supone un "avance destacable" en este campo.
NUEVO MATERIAL COMO CATALIZADOR
"La comprensión en profundidad de la estructura del catalizador, basado en especies de plata y renio dispersas sobre una matriz de alúmina, y su proceso de activación abre la puerta a la potencial aplicación del mismo, así como de otros materiales relacionados, a procesos orgánicos de interés altamente sostenibles y que den lugar a la producción de otro tipo de compuestos orgánicos relevantes", ha explicado Rosa Adam Ortiz, investigadora Ramón y Cajal del Departamento de Química Orgánica de la Facultad de Farmacia de la UV y autora de correspondencia del trabajo.
Además, esta investigación resulta innovadora desde el punto de vista del diseño de un nuevo tipo de material bimetálico multifuncional como catalizador. En los últimos años, el diseño de materiales bimetálicos para procesos catalíticos que utilizan hidrógeno ha sido un campo "muy activo". La combinación bimetálica descrita en este trabajo no había sido explorada hasta este momento en el campo de la catálisis heterogénea y, por tanto, abre nuevas vías en esta área.
COLABORACIONES
Además del ITQ (UPV-CSIC) y de la UV, han sido esenciales las colaboraciones con el Instituto de Microscopía Electrónica y Materiales de la Universidad de Cádiz (IMEYMAT) y del Sincrotrón ALBA para llevar a cabo la caracterización en profundidad del catalizador idóneo, así como su proceso de activación.
En concreto, en la línea de luz CLAESS del Sincrotrón ALBA se realizaron estudios de espectroscopía de absorción de rayos X, en los que se comprobó las diferencias electrónicas y estructurales locales entre los nanocatalizadores bimetálicos, así como su reorganización dinámica tras la reducción.
Por su parte, el trabajo realizado por los investigadores del IMEYMAT, empleando técnicas de Microscopía Electrónica de Barrido-Transmisión, ha proporcionado una visión "detallada" de los materiales investigados a escala atómica. Estos trabajos se han realizado empleando el equipamiento de última generación de la División de Microscopía Electrónica de los Servicios Centrales de Investigación Científica y Tecnológica de la Universidad de Cádiz (DME-UCA), uno de los nodos de la Instalación Científico Técnica Singular (ICTS) de Microscopía Electrónica de Materiales (ELECMI).
La investigación ha sido financiada por la Generalitat Valenciana, el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, la fundació "la Caixa" y el Programa de Excelencia Severo Ochoa del ITQ (UPV-CSIC).
