La producción de 1-buteno mediante dimerización de etileno es uno de los pocos procesos industriales que emplea la catálisis homogénea, debido a su gran selectividad, a pesar de las cantidades masivas de activadores y disolventes que requiere. Un nuevo artículo de investigadores del grupo SUPREN de Escuela de Ingeniería de Bilbao de la UPV/EHU, en el que participan Iker Aguirrezabal, Iñaki Gandarias y Mikel Oregui, en colaboración con el grupo de López del Instituto de Investigación Química de Cataluña (ICIQ) y RTI International (EEUU), muestra una alternativa más sostenible con estructuras metal-orgánicas (MOFs, metal–organic frameworks), una familia de materiales porosos formados por nodos metálicos conectados a través de ligandos orgánicos.

Este grupo de científicos ha demostrado que los MOFs adaptados bajo regímenes de condensación catalizan la dimerización de etileno a 1-buteno con una alta selectividad y estabilidad en ausencia de activadores y solventes. La investigación, publicada en Nature Communications, abre nuevas vías al desarrollo de catalizadores heterogéneos robustos para una amplia variedad de reacciones en fase gaseosa.

Conoce tus defectos...

El grupo de investigadores ha diseñado defectos en la estructura metal-orgánica (Ru)HKUST-1 sin comprometer su propia estructura, mediante dos estrategias: una sustitución de ligando convencional durante la síntesis del MOF y un pionero tratamiento térmico post-sintético. Los investigadores han caracterizado dichos defectos mediante los equipos de espectroscopía del grupo Supren (UPV/EHU), que han demostrado ser catalíticamente activos para la dimerización de etileno. Estos análisis han permitido evaluar in-situ la evolución del centro activo y sus propiedades químicas.

Gracias a los recursos informáticos del Barcelona Supercomputing Center (BSC), perteneciente a la ”Red Española de Supercomputación” (RES), el equipo de investigación ha sido capaz de simular sistemas MOF reales para caracterizar los defectos y determinar el mecanismo de reacción. En el estudio han encontrado que los centros metálicos insaturados inducidos por los defectos desencadenan la actividad, mientras la naturaleza bimetálica del nodo controla la selectividad. Tras probar el comportamiento catalítico del sistema, el equipo de investigadores ha mejorado la reciclabilidad y la robustez del catalizador a través de una condición crucial: la condensación intraporosa de los reactivos.

... y rellena los poros

La producción de 1-buteno mediante la dimerización de etileno se estudia normalmente en fase gaseosa. En estos casos, y cuando la reacción ocurre a baja presión del reactivo, algunos puntos catalíticos se desactivan debido a la coordinación de oligómeros. Pero a medida que la presión crece, las moléculas de reactivo pueden condensarse dentro de los poros del material; esta concentración evita la desactivación, y aumenta significativamente la estabilidad del catalizador. Las condiciones de condensación intraporosa permiten así acercar la catálisis homogénea convencional a nuevos procesos mediante los catalizadores heterogéneos.

Los siguientes pasos del proyecto podrían implicar el uso de catalizadores MOF basados en metales de transición de la primera fila, así como la aplicación de una nueva estrategia de condensación intraporosa para otras reacciones de fase gaseosa.

• I. Agirrezabal-Telleria, I. Luz, M. A. Ortuño, M. Oregui-Bengoechea, I. Gandarias, N. López, M. Lail, M. Soukri.Gas reactions under intrapore condensation regime within tailored Metal–Organic Framework catalysts.Nature Communications. 2019DOI: 10.1038/s41467-019-10013-6