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Una nueva forma de romper los enlaces químicos ultrafuertes
Un avance fundamental de laboratorio ha hecho posible romper, a temperatura y presión ambiente, dos de los tipos más fuertes de enlaces químicos para producir compuestos industriales comunes. Al hacerlo, los investigadores de la Universidad de Cornell han dado un primer paso importante hacia procesos que consumen menos energía para producir compuestos orgánicos que contienen nitrógeno.
El enlace nitrógeno-carbono es la columna vertebral de casi todos los productos farmacéuticos más vendidos, dice Paul Chirik , profesor de química en Cornell. Los enlaces nitrógeno-carbono se encuentran en nailon, fertilizantes, insecticidas y en todas las proteínas. Sin embargo, reunir el carbono y el nitrógeno generalmente requiere grandes cantidades de energía porque los químicos usan amoníaco como fuente de nitrógeno. Chirik ha desarrollado una nueva reacción que utiliza monóxido de carbono y nitrógeno molecular para formar estos enlaces. Una reacción de este tipo también requiere normalmente grandes cantidades de energía. Este trabajo se describe esta semana en la revista Química de la naturaleza .
En su forma natural, el nitrógeno molecular, que está formado por dos átomos de nitrógeno unidos por un triple enlace, es una de las moléculas más estables que existen. No tiene fines negativos ni positivos, por lo que es muy difícil hacer que reaccione, dice Chirik. Otros químicos están trabajando en la imitación de enzimas biológicas que fijan nitrógeno molecular para producir amoníaco que podría usarse como materia prima para sustancias químicas orgánicas. El laboratorio de Chirik, por el contrario, está desarrollando una reacción para romper el enlace de nitrógeno, no para producir amoníaco, sino para producir compuestos de nitrógeno orgánico directamente.
La clave de la reacción de Cornell, que requiere dos pasos para romper los enlaces de nitrógeno, es un complejo que contiene el metal hafnio. En el primer paso, dos complejos metálicos rodean cada molécula de nitrógeno, encerrándola. Los complejos de hafnio reaccionan con el nitrógeno, rompiendo dos de los enlaces y creando una molécula intermedia. Luego se agrega monóxido de carbono a la mezcla. El monóxido de carbono también es un compuesto muy estable y no reaccionaría con nitrógeno molecular. Pero el monóxido de carbono reaccionará con el intermedio nitrógeno-hafnio, rompiendo el enlace de nitrógeno final para formar una molécula orgánica llamada oxamida que se libera del complejo de hafnio mediante la adición de ácido.
Las personas que producen compuestos de nitrógeno orgánico en la actualidad tienen que producir primero amoníaco, dice Christopher Cummins, profesor de química en el MIT. Lo bueno de la nueva técnica de Cornell, dice, es que están desarrollando reacciones para convertir el nitrógeno en organonitrógenos directamente. Cummins señala que la única compañía que hizo esto industrialmente, American Cyanamid, usó energía hidroeléctrica producida por las Cataratas del Niágara para hacer un arco eléctrico lo suficientemente poderoso como para impulsar la reacción.
La química de Cornell aún no está lista para uso industrial. Hasta ahora, la reacción que han desarrollado no es catalítica y, por lo tanto, no es práctica. El complejo de hafnio hace posible que la reacción se desarrolle en condiciones ambientales, pero se agota durante la reacción. Chirik está trabajando en cómo sacar las piezas del metal para poder reutilizarlo. Los investigadores de Cornell también están tratando de determinar qué tan general es la reacción. Lo han usado para hacer un fertilizante; más trabajo dirá si este tipo de reacción funcionará para una gran variedad de compuestos organo-nitrogenados. Chirik dice que también está tratando de determinar si se pueden usar otros metales para acelerar la reacción. El hafnio es eficaz, pero es raro.
Esta es una ventana a algo para el futuro, dice Cummins. La química de reacción básica de moléculas simples como el nitrógeno y el monóxido de carbono aún se está descubriendo.