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TÉCNICA FUTURISTA

Los químicos desvelan reacciones desconocidas poniendo luz en los matraces

La fotoquímica, que desencadena procesos con luz en lugar de calor, vive una segunda juventud

Permite producir fármacos y otras sustancias con métodos inéditos y menos energía

Michele Catanzaro

Paolo Melchiorre, de azul, con miembros de su equipo en su laboratorio de fotoquímica, en el ICIQ de Tarragona.  / JOAN REVILLAS

Paolo Melchiorre, de azul, con miembros de su equipo en su laboratorio de fotoquímica, en el ICIQ de Tarragona. 
Matraces iluminados con luz led capaz de desencadenar reacciones químicas nuevas con bajo consumo de energía, en el Institut Catala dInvestigació Química (ICIQ), en Tarragona.

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Hace más de un siglo, el químico italiano Giacomo Ciamician imaginó laboratorios abiertos en los que la luz del Sol se emplearía directamente para reacciones químicas industriales. Esa intuición se quedó en aplicaciones menores hasta hace una década.

En el año 2008, sin embargo, el químico David MacMillan, de la Universidad de Princeton (EEUU), demostró que la luz podía desempeñar un papel fundamental en reacciones del tipo que se emplea para fabricar fármacos. Desde entonces, la fotoquímica ha tenido una segunda juventud.

El pasado febrero, Paolo Melchiorre, investigador del Institut Català d’Investigació Química (ICIQ, en Tarragona), publicó en Nature una revisión de la aplicación de la luz en esta clase de reacciones.

Ahorro energético

"Los impactos de la técnica van de la producción farmacéutica a la de materiales. En todos estos ámbitos permite ahorrar energía. Podemos vislumbrar el uso de la luz solar para producciones industriales de gran escala que ahora necesitan mucha energía térmica", explica Melchiorre.

La idea central de la fotoquímica es proporcionar a los materiales la energía que necesitan para reaccionar no por medio del calor, como ocurre hasta ahora, sino por medio de la luz.

"Los investigadores estaban trabajando en técnicas para capturar y almacenar la energía solar. Se nos ocurrió emplear esos conceptos en un área totalmente distinta", recuerda MacMillan.

Pero el alcance va más allá del ahorro energético. "Lo más importante es que permite centenares de reacciones completamente nuevas", afirma David MacMillan. En otras palabras, moléculas convenientemente expuestas a la luz reaccionan de formas hasta ahora inimaginables y muy distintas a cuando están expuestas al calor.

"La técnica permite mucho más control de las reacciones. Puedes hacer moléculas que antes no podías y de una manera más amigable con el medio ambiente", explica Catherine Holden, investigadora del grupo de Melchiorre en el ICIQ.

El método es conocido como fotocatálisis ya que rara vez la luz se aplica directamente a los reactivos. Normalmente se aplica a un catalizador, es decir, a una sustancia intermedia que ayuda a desencadenar la reacción.

Tiras de leds y catalizadores colorados

"Usamos tiras de led como las que señalan la salida en los cines y las exponemos a catalizadores coloreados", explica Melchiorre. De hecho, para que un objeto pueda absorber luz visible tiene que tener un color visible: por ejemplo, los catalizadores que absorben el azul suelen ser naranja.

Para desencadenar una reacción química hay que proporcionar a los reactivos cierta energía de activación. Normalmente se hace calentándolos. La fotoquímica, en cambio, lo hace por medio de la luz. Esto se traduce en un particular tipo de excitación de las moléculas, que afecta a sus electrones, lo que no ocurre cuando se les proporciona calor. Como consecuencia, las reacciones no solo ocurren a temperaturas más bajas, sino que las moléculas en estado excitado hacen reacciones nuevas que no se producen en el caso anterior.

Previamente ya se había empleado luz ultravioleta para generar reacciones químicas. Sin embargo, esta luz suele romper las moléculas (de hecho, es la misma luz que produce el bronceado, rompiendo enlaces en las moléculas de la piel). Ahora, se sabe cómo emplear luz visible, que tiene energía más baja y que produce las reacciones sin romper las moléculas.

Aplicaciones revolucionarias

Melchiorre cree que la fotocatálisis podría revolucionar las reacciones de acoplamiento, el método sintético para generar moléculas más empleado a nivel industrial, que mereció un premio Nobel en el año 2010.

MacMillan está al corriente de diversos prototipos que emplean la técnica en las principales industrias farmacéuticas. "Puede permitir hacer fármacos que ahora no existen, porque permite generar nuevas moléculas y además puede reducir el número de reacciones necesarias", explica.

El mayor reto de estas aplicaciones, según Melchiorre, es que la luz no penetra más de dos o tres centímetros en cualquier material. Por esto, es imposible aplicarla a reactores de toneladas de materiales. "Muchos científicos están desarrollando sistemas de flujo: tubos de plástico de menos de un centímetro de diámetro por los cuales circulan reactivos y catalizadores, enrollados alrededor de un led", concluye Melchiorre.

Cómo se enrollan las moléculas

La investigación de Paolo Melchiorre podría tener aplicaciones en el ámbito farmacéutico. Este químico está aplicando la fotocatálisis a generar moléculas con se enrollan sobre sí mismas en la dirección deseada. Los tornillos suelen apretarse girando en sentido de las agujas del reloj, pero también se pueden fabricar para que se aprieten girando al revés. Estas dos opciones representan dos formas opuestas de quiralidad del tornillo.


También las moléculas tienen quiralidad. Por ejemplo, los 21 aminoácidos que componen todas las proteínas tienen cada uno su manera propia de enrollarse. Si se produce uno con quiralidad opuesta a la normal, puede ser inútil o incluso tóxico. Eso afecta también a los fármacos que interactúan con las moléculas del organismo. En el caso de la talidomida, por ejemplo, una de las formas quirales de esa molécula producía graves daños a los fetos de las mujeres embarazadas.

Temas: Química

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