Un electrodo que se adapta a todos los grupos funcionales

Actualizado: 12 nov 2020

Los investigadores de IBS y KAIST emplearon un electrodo de oro y unieron las moléculas objetivo al electrodo. Al igual que los grupos funcionales generan diversos efectos electrónicos, un electrodo se adapta a todas las reacciones, ya que un solo electrodo puede comportarse como múltiples grupos funcionales con solo cambiar el voltaje aplicado.


Figura 1.1. Esquema 3D del experimento. Crédito: IBS

Como aprendimos en la clase de química, la reacción química ocurre con la formación o ruptura de enlaces entre átomos. Estos enlaces químicos se forman cuando los átomos comparten o intercambian electrones. La reactividad química se puede controlar de varias formas. Entre ellos, generalmente se emplea el control de la propiedad electrónica en el sitio de reacción. Por ejemplo, una molécula rica en electrones prefiere reaccionar con una molécula que puede aceptar electrones fácilmente.


Muchos átomos pueden formar 'grupos funcionales' que donan o retiran electrones y controlan la distribución de la densidad de electrones de una molécula. Estos grupos funcionales pueden variar la propiedad electrónica de la molécula para acelerar la reacción química deseada. Comúnmente conocido como "efecto inductivo", el grupo donante de electrones empuja a los electrones para aumentar la densidad de electrones en el sitio donde tiene lugar la reacción.


En 1937, el químico estadounidense Louis P. Hammett cuantificó el efecto electrónico de los grupos funcionales en varios tipos de reacciones orgánicas. Más de 80 años después, la investigación de Hammett todavía se usa ampliamente para diseñar una reacción o catálisis eficiente mediante la modulación de la propiedad electrónica de las moléculas objetivo. Sin embargo, este enfoque implica una cantidad de tareas frustrantes e ineficaces. Dado que cada grupo funcional puede producir solo un efecto inductivo específico y, a veces, puede que no sea posible sintetizar moléculas objetivo que tengan los grupos funcionales deseados debido a una dificultad sintética. Estas limitaciones han obligado a los investigadores a preparar numerosos derivados para una serie de complicados escenarios de reacción.


Los investigadores de IBS y KAIST emplearon un electrodo de oro y unieron las moléculas objetivo al electrodo. Al igual que los grupos funcionales generan diversos efectos electrónicos, un electrodo se adapta a todas las reacciones, ya que un solo electrodo puede comportarse como múltiples grupos funcionales con solo cambiar el voltaje aplicado. La aplicación de voltaje (+) en el electrodo disminuyó la densidad de electrones en el sitio de reacción. Por el contrario, cuando se aplicó voltaje (-), el electrodo actuó como un grupo donante de electrones, aumentando la densidad de electrones en el sitio de reacción.


Figura 1.2. Resumen de la investigación. Crédito: IBS

Dirigido por el profesor BAIK Mu-Hyun [el Centro de funcionalizaciones de hidrocarburos catalíticos dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) y el Departamento de Química del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea, KAIST en Daejeon, Corea del Sur] y HAN Sang Woo ( el Departamento de Química del Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología Avanzada, KAIST) un equipo de investigación del IBS y KAIST descubrió lo que ellos llaman el "efecto electroinductivo" que ofrece una alternativa al enfoque clásico de la síntesis química. Empleando un electrodo de oro, los investigadores unieron las moléculas objetivo al electrodo. “Así como los grupos funcionales generan diversos efectos electrónicos, queríamos cambiar las propiedades de las moléculas inmovilizadas utilizando diferentes voltajes.


Figura 2-2. Reacción de acoplamiento cruzado Suzuki-Miyaura catalizada por Pd. Crédito: IBS

El equipo de investigación demostró que el electrodo de oro puede servir como un "grupo funcional universal" para controlar la reactividad de una molécula, impulsando o inhibiendo la reacción simplemente cambiando el voltaje aplicado al electrodo. En la "reacción de hidrólisis del éster catalizada por una base", una reacción orgánica representativa que Hammett había utilizado para establecer el efecto inductivo convencional hace 80 años, la aplicación de voltaje (+) en el electrodo disminuyó la densidad electrónica del carbono carbonílico en la molécula de éster. Por tanto, se mejoró significativamente la reactividad en la molécula. Por el contrario, cuando se aplicó voltaje (-), la reacción apenas prosiguió debido a la alta densidad de electrones del sitio de reacción. (Figura 2-1) También han controlado con éxito la velocidad de reacción de la "reacción de acoplamiento cruzado Suzuki-Miyaura", un método catalítico principal para formar enlaces carbono-carbono. (Figura 2-2) Es de gran importancia que el electrodo pueda controlar la reactividad no solo en la reacción orgánica, sino también en la complicada reacción catalítica organometálica.


Figura 3. Reacción de amidación mediada por EDC con ajuste de potencial in situ. Crédito: IBS.

Los investigadores también confirmaron que este "grupo de función universal" permite el ajuste fino de la propiedad electrónica y la reactividad de la molécula en medio de una reacción química (sintonización in situ). La reacción de amidación mediada por EDC [1-etil-3- (3-dimetilaminopropil) carbodiimida] se puede dividir en dos pasos: el primer paso es acelerado por el grupo donador de electrones, mientras que el segundo paso es mejorado por el grupo atractor de electrones . La reacción de amidación mediada por EDC apenas se produjo cuando se aplicó un tipo de voltaje. (Figura 3) El "grupo funcional universal" cambió con éxito la reactividad de la molécula mientras la reacción estaba en curso.


La idea de unir moléculas de forma covalente a un electrodo no es nueva. Sin embargo, la mayoría de estos casos involucran reacciones redox. “Las reacciones químicas controladas por el efecto electroinductivo no involucran procesos redox. El electrodo solo sirve como grupo funcional con efecto inductivo sintonizable. Además, este estudio exploró cómo funciona el efecto electroinductivo en reacciones químicas reales ”, explica el profesor Mu-Hyun Baik.


A medida que los investigadores confirmaron el potencial de reemplazar grupos funcionales con un electrodo de oro a diferentes voltajes, emplearán otros tipos de electrodos, como electrodos a base de carbono, para garantizar una aplicación práctica y escalable de este estudio.




 

Más información: Joon Heo et al. Electro-inductive effect: electrodes as functional groups with tunable electronic properties. Science (2020). DOI: 10.1126/science.abb6375

 

Nota original: Institute For Basic Science

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