Con un nuevo polímero que atrae sólo ciertas sustancias de la solución cuando se activa eléctricamente, los investigadores han dado un paso importante hacia la separación química sostenible.
Un equipo con sede en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign informa en la revista sobre la primera demostración de separación electroquímica selectiva mediante enlaces halógenos. JACS Au. Esto se logró diseñando un polímero que modula la densidad de carga de los átomos de halógeno cuando se aplica electricidad. Luego, el polímero atrae sólo objetivos específicos de la solución orgánica, como haluros, oxianiones e incluso moléculas orgánicas, lo que tiene importantes implicaciones para los procesos de síntesis farmacéutica y química.
“La separación química es como hacer una esponja que absorbe sólo los químicos que desea de una mezcla”, dijo Zhao Xu, profesor de ingeniería química y biomolecular y líder del proyecto. “Si bien la separación electroquímica se utiliza en algunos contextos, puede resultar bastante difícil garantizar que sólo se elimine lo que se necesita”.
En entornos industriales, la separación química a menudo se logra mediante procesos basados en calor o filtración por membrana, pero estos métodos generan desperdicio de material. Las alternativas basadas en mecanismos electroquímicos minimizarán los residuos y se beneficiarán de fuentes sostenibles de electricidad. Aunque estos mecanismos ya se utilizan en aplicaciones como la desalinización, no discriminan en cuanto a las sustancias que atraen.
Los investigadores lograron una separación eléctrica selectiva con una interacción química llamada enlace de halógeno, en la que una molécula objetivo es atraída por un polímero donante de halógeno reactivo redox a través de una fuerte carga positiva parcial en el átomo de halógeno, llamada “agujero sigma”. El equipo aprovechó esta interacción diseñando un polímero que contiene un átomo de yodo halógeno y ferroceno, un centro redox activo que modula la fuerza de unión del yodo cuando se aplica electricidad externa. El agujero sigma de yodo se activa cuando se oxida el ferroceno, creando una fuerte carga positiva que atrae iones cargados negativamente.
“El enlace halógeno es una química fundamental bien estudiada, aunque de nicho, pero nuestro equipo es la ‘esponja’ que toma este concepto y lo hace funcionar”, dijo Nayoung Kim, un estudiante graduado en el grupo de investigación de SU. usarlo para desarrollar y autor principal del estudio. “La fuerza del enlace de halógeno es lo que permite la selectividad, porque selecciona iones que tienen una mayor afinidad por el átomo de halógeno”.
El grupo de investigación SUK diseñó el polímero activo redox y luego lo probó en varias soluciones orgánicas. Después de descubrir que el polímero podía seleccionar iones específicos de un compuesto, se confirmó la presencia de enlaces halógenos mediante experimentos de resonancia magnética nuclear y dispersión Raman. El grupo SUK colaboró con el profesor de ingeniería química y biomolecular Alex Mironenko, quien dirigió una investigación computacional del polímero para comprender los mecanismos subyacentes a la activación del centro redox.
“Ahora que hemos demostrado la separación electroquímica molecular, los próximos pasos implicarán optimizar y ampliar el proceso”, dijo Su. “Esto incluye explorar estrategias de ampliación para aumentar la pureza del producto final, como el modelo en cascada, diseñar un sistema de electrosorción continua y luego estudiar el proceso fuera de las condiciones de laboratorio”.
