Jugando con las interacciones supramoleculares más débiles y la hidrogenación selectiva de materiales

09.09.2021

Reorganización controlada de un compuesto basado en fullereno (gris), puramente gobernado por las interacciones de tipo van der Waals más débiles (dihidrógeno) y la entrada de pequeñas moléculas en su interior (las moléculas de hidracina aparecen en azul). Imagen: Scixel.

• Investigadores en IMDEA Nanociencia controlan las fuerzas más débiles de tipo van der Waals en un compuesto de fullereno C60 aplicando un estímulo externo.
• El estudio representa un logro importante en el campo de la Química Supramolecular, donde estas fuerzas débiles pueden jugar un papel crucial dentro de las reacciones químicas.
• Esta estrategia ha permitido por primera vez hidrogenar selectivamente y de manera controlada el C60. Esta reacción puede tener implicaciones relevantes para el almacenamiento de hidrógeno.

Madrid, 9 de Septiembre, 2021. En las reacciones químicas, los enlaces que unen a los átomos entre sí se rompen y se crean para formar nuevos compuestos. Existen además otro tipo de interacciones, las fuerzas débiles de van der Waals, que pueden jugar un papel esencial en las reacciones químicas, en la velocidad o selectividad de las reacciones. Controlar estas sutiles fuerzas en los procesos de reorganización molecular, mediante la aplicación de un estímulo térmico o químico, es una de las metas perseguidas dentro del campo de la Química Supramolecular.

En un estudio publicado en la revista Chemical Science investigadores de IMDEA Nanociencia y de la Universidad de Barcelona, liderados por el Dr. José Sanchez Costa, proponen una novedosa estrategia de síntesis basada en el control de la reorganización de un compuesto de fullereno, puramente gobernado por las fuerzas van der Waals más débiles: el enlace de dihidrógeno.

Para los autores, este trabajo tiene dos características destacadas que lo hacen particularmente original. En primer lugar, avanza de manera significativa en el conocimiento sobre el enlace de dihidrógeno, también llamado “dedos pegajosos” o “sticky fingers” en inglés; un tipo de interacciones cumulativas que se encuentran en la naturaleza y son responsables de que, por ejemplo, los geckos puedan subir por las paredes “pegando” sus patas a la superficie o de las interacciones en las capas lipídicas de las células. En segundo lugar, la transformación del conjunto del material es controlable. La aplicación de una perturbación externa permite modificar el carácter de las interacciones y de hacer pasar el sistema de una fase a otra. Cada fase del material interacciona de maneras distintas con moléculas externas que pasan a través de los “dedos pegajosos” y dan lugar a reacciones distintas dentro de un mismo material.

En concreto, la reorganización supramolecular se controló de manera selectiva mediante un estímulo externo: la exposición del cristal a vapores de hydrazina (N₂H₄). Dependiendo de la fase del material, la hidracina hidrogena la bola del C60 en mayor o menor medida. Además, la monitorización de la reacción a través de la difracción de cristal único permitió la observación directa de los movimientos moleculares en la red y la posterior reacción de hidrogenación. Esta reacción viene también acompañada de un cambio de color de los cristales de naranja a amarillo.

“Estos materiales podrían tener potencial aplicación en el almacenamiento de hidrogeno.”

Separar las diferentes contribuciones supramoleculares claves en la estabilidad de sistemas 3D es aún un reto. Por ello, la habilidad de los autores para dictar la reorganización de forma controlada, separando las contribuciones supramoleculares, satisface una meta aspirada por la química Supramolecular, y ayuda a entender la naturaleza intrínseca del conjunto supramolecular, así como su reactividad química.

El estudio es un resultado del grupo de “Switchable Nanomaterials” de IMDEA Nanociencia, liderado por el Dr. José Sánchez Costa, en colaboración con el grupo del Prof. Nazario Martín en la Universidad Complutense de Madrid, y Carolina Sañudo (Universidad de Barcelona), y ha sido cofinanciado por el sello Centro de Excelencia Severo Ochoa concedido a IMDEA Nanociencia en 2017.

Referencia:

E. Fernández-Bartolomé, A. Gamonal et al. Playing with the weakest supramolecular interactions in a 3D crystalline hexakis[60]fullerene induces control over hydrogenation selectivity. Chem. Sci. 2021.

DOI: 10.1039/D1SC00981H

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Fuente: IMDEA Nanociencia