Un nuevo catalizador desarrollado en España abre la puerta a una industria química más eficiente y sostenible

Un equipo del Instituto de Tecnología Química (ITQ), centro mixto del CSIC y la Universitat Politècnica de València (UPV), ha desarrollado un nuevo catalizador que abre una vía para producir de manera más sostenible materias primas fundamentales para la industria química.

El avance se centra en la hidroformilación, una de las reacciones de mayor relevancia industrial para transformar compuestos baratos y abundantes, conocidos como olefinas, en aldehídos. Estas moléculas sirven posteriormente como materias primas para fabricar una enorme variedad de productos cotidianos, desde perfumes y aromas alimentarios hasta plásticos, detergentes y medicamentos.

El nuevo sistema permite reducir la cantidad de rodio necesaria, prescindir de determinados compuestos tóxicos empleados convencionalmente y recuperar el catalizador para volver a utilizarlo. El trabajo científico ha sido publicado en la revista Nature.

¿Qué es la hidroformilación y por qué es tan importante?

La hidroformilación permite convertir moléculas relativamente sencillas, que pueden proceder del petróleo o de plantas, en otras más complejas y de mayor utilidad para la industria.

El proceso incorpora un átomo de carbono junto con hidrógeno y oxígeno para generar aldehídos. Estos compuestos están presentes de manera natural en numerosos seres vivos, pero también desempeñan un papel esencial como materias primas industriales.

Para que esta transformación se produzca de forma eficiente se utilizan catalizadores, materiales capaces de acelerar una reacción química y orientarla hacia los productos deseados sin consumirse durante el proceso.

En la industria se emplean habitualmente catalizadores basados en metales como el rodio o el cobalto.

La reacción fue descubierta en 1938 por el químico alemán Otto Roelen y desde entonces se ha convertido en un proceso fundamental para la producción de aldehídos a partir de olefinas.

Los inconvenientes de los catalizadores actuales

Pese a su importancia, los métodos convencionales presentan aspectos susceptibles de mejora.

Avelino Corma, investigador ad honorem del CSIC en el ITQ, explica que los procesos industriales basados en rodio utilizan habitualmente catalizadores homogéneos y ligandos de tipo fosfina.

Estos sistemas presentan inconvenientes relacionados, entre otros aspectos, con la toxicidad y la recuperación del catalizador.

El equipo del ITQ ha trabajado precisamente en una alternativa que permita mantener una elevada actividad y selectividad reduciendo algunos de estos problemas.

Átomos individuales de rodio dentro de una zeolita

Una de las principales innovaciones del trabajo consiste en haber conseguido estabilizar centros activos aislados de rodio en estado de oxidación dentro de los canales de una zeolita tipo MFI.

En términos sencillos, los investigadores han logrado colocar átomos individuales de rodio en los diminutos canales de una zeolita, un material caracterizado por disponer de una estructura con poros y canales microscópicos.

Es en esos espacios donde el rodio actúa como catalizador para facilitar la transformación química.

Según los resultados del trabajo, este centro presenta una actividad y una selectividad hacia el aldehído superiores a las de otros centros activos convencionales de rodio.

La selectividad resulta especialmente importante porque permite orientar la reacción hacia el producto que interesa obtener, reduciendo la generación de otros compuestos no deseados.

Los investigadores logran controlar la selectividad

El equipo científico ha demostrado además que puede modificar la selectividad de la reacción mediante el bloqueo de los centros activos que resultan menos selectivos.

“El bloqueo selectivo de centros permite favorecer la actividad del centro responsable de la elevada producción del aldehído lineal”, explica Patricia Concepción, investigadora del CSIC en el Instituto de Tecnología Química.

Esta capacidad proporciona una herramienta adicional para adaptar el funcionamiento del catalizador tanto a las condiciones del proceso como a las características de la materia prima empleada.

El descubrimiento abre así nuevas posibilidades para el diseño de catalizadores más selectivos y eficientes, una cuestión especialmente relevante cuando se plantea trasladar un avance de laboratorio hacia procesos industriales.

Menos rodio y sin ligandos tóxicos de fosfina

El nuevo catalizador reúne varias características que lo diferencian de los sistemas utilizados convencionalmente.

Entre ellas se encuentra la posibilidad de emplear una cantidad reducida de rodio, un aspecto relevante al tratarse del metal sobre el que se sustenta la actividad catalítica del nuevo sistema.

También destaca la ausencia de ligandos tóxicos de fosfina, uno de los inconvenientes identificados en determinados procesos industriales actuales.

A ello se suma que el catalizador puede recuperarse y reutilizarse, mientras que su procedimiento de síntesis es descrito por los investigadores como sencillo y potencialmente escalable.

El sistema presenta además una elevada selectividad hacia el aldehído lineal, uno de los objetivos centrales de la investigación.

El proceso puede realizarse a unos 80 grados

Otra de las características destacadas es que la reacción puede desarrollarse en condiciones relativamente suaves, en torno a los 80 grados centígrados.

El catalizador mantiene además su actividad y selectividad con un amplio abanico de olefinas.

Esta versatilidad resulta especialmente interesante de cara a una posible aplicación industrial, ya que permitiría trabajar con diferentes materias primas y producir distintos aldehídos de interés.

El trabajo, por tanto, no supone simplemente una modificación de un catalizador existente, sino que plantea una nueva estrategia para controlar una reacción química utilizada a gran escala.

Un trabajo con participación de varios centros españoles

La investigación está encabezada desde el Instituto de Tecnología Química y cuenta con la participación de científicos de diferentes instituciones españolas.

Además de Avelino Corma y Patricia Concepción, han participado Reisel Millán y Minjie Zhao, también del ITQ.

El estudio cuenta asimismo con Laura Simonelli y Alina Skorynina, del Sincrotrón ALBA, y con José Juan Calvino y Miguel López Haro, de la Universidad de Cádiz.

Los resultados publicados en Nature plantean ahora una nueva vía para desarrollar procesos de hidroformilación más selectivos y eficientes, con potencial para reducir algunos de los inconvenientes asociados a los sistemas convencionales utilizados para obtener unas moléculas esenciales en la fabricación de miles de productos.