Un equipo de investigación del Instituto de Tecnología Química (ITQ), centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad Politécnica de Valencia (UPV), ha desarrollado un nuevo catalizador para mejorar la producción de aldehídos, compuestos esenciales en la fabricación de perfumes, aromas alimentarios, plásticos, detergentes y medicamentos.
El avance, publicado en la revista científica Nature, permite mejorar la actividad y la selectividad de la reacción química conocida como hidroformilación, un proceso fundamental para transformar olefinas en materias primas de gran valor industrial. La nueva tecnología utiliza átomos individuales de rodio estabilizados en los canales de una zeolita, una estructura mineral porosa que permite controlar las reacciones químicas.
El desarrollo abre nuevas posibilidades para diseñar catalizadores más eficientes, recuperables y potencialmente más sostenibles, reduciendo la cantidad de rodio necesaria y prescindiendo de los ligandos de fosfina utilizados habitualmente en los procesos industriales convencionales.
Qué es la hidroformilación y por qué es importante para la industria química
La hidroformilación es una de las reacciones más importantes de la industria química. Este proceso transforma las olefinas, compuestos relativamente sencillos y abundantes derivados del petróleo o de materias primas vegetales, en aldehídos mediante la incorporación de carbono, hidrógeno y oxígeno.
Los aldehídos resultantes se utilizan como materias primas para fabricar numerosos productos de uso cotidiano, desde perfumes y aromas alimentarios hasta plásticos, detergentes y medicamentos. Por ello, mejorar la eficiencia de esta reacción puede tener un impacto relevante en los procesos de producción química.
Para facilitar la hidroformilación se emplean catalizadores, materiales que aceleran las reacciones y favorecen la formación de determinados productos sin consumirse durante el proceso. La industria utiliza habitualmente sistemas basados en metales como el rodio o el cobalto, aunque algunos de los catalizadores convencionales presentan dificultades relacionadas con la toxicidad de sus componentes y la recuperación del material.
“La reacción fue descubierta en 1938 por el químico alemán Otto Roelen y, desde entonces, se ha convertido en uno de los procesos fundamentales de la industria química para producir aldehídos a partir de olefinas”, explica Avelino Corma, investigador ad honorem del CSIC en el ITQ.
“En la actualidad, los procesos industriales basados en rodio emplean habitualmente catalizadores homogéneos y ligandos de tipo fosfina, que presentan importantes inconvenientes desde el punto de vista de la toxicidad y la recuperación del catalizador”, asegura Corma.
Átomos individuales de rodio para mejorar la selectividad del catalizador
El avance del equipo del ITQ consiste en estabilizar centros activos aislados de rodio en los canales de una zeolita de tipo MFI. Se trata de átomos individuales del metal alojados en una estructura con poros y canales microscópicos que permite controlar su comportamiento durante la reacción química.
Esta configuración modifica la forma en que el rodio interactúa con las moléculas y favorece la formación del producto deseado. Según los investigadores, el nuevo centro activo presenta una actividad y una selectividad hacia el aldehído muy superiores a las de otros centros convencionales de rodio.
La selectividad química es especialmente importante en la industria porque determina en qué medida una reacción favorece la obtención del producto buscado frente a otros compuestos. Mejorarla puede facilitar procesos más eficientes y reducir la generación de productos no deseados.
El equipo también ha demostrado que puede controlar esta selectividad mediante el bloqueo de determinados centros activos menos selectivos. De este modo, es posible favorecer las rutas de reacción que producen el aldehído lineal, una molécula de interés para numerosas aplicaciones industriales.
“El bloqueo selectivo de centros permite favorecer la actividad del centro responsable de la elevada producción del aldehído lineal”, explica Patricia Concepción, investigadora del CSIC en el ITQ.
Este mecanismo proporciona una herramienta adicional para ajustar el comportamiento del catalizador a las condiciones de reacción y a las características de las materias primas. El resultado amplía las posibilidades de diseñar materiales catalíticos con propiedades específicas para diferentes procesos químicos.
Un catalizador más eficiente y con posibilidades de reutilización
Frente a los sistemas convencionales, el nuevo catalizador presenta varias ventajas potenciales desde el punto de vista industrial y medioambiental. Entre ellas destacan el uso de una cantidad reducida de rodio, la ausencia de ligandos tóxicos de fosfina y la posibilidad de recuperar y reutilizar el material catalítico.
El procedimiento cuenta, además, con una síntesis sencilla y potencialmente escalable, una elevada selectividad hacia el aldehído lineal y la capacidad de mantener su actividad en un amplio rango de olefinas.
Otro aspecto relevante es que la reacción puede desarrollarse en condiciones relativamente suaves, en torno a 80 °C, según los resultados descritos por el equipo investigador. Esta característica, junto con la estabilidad y la selectividad del material, resulta de interés para explorar futuras aplicaciones industriales.
La posibilidad de trabajar con diferentes olefinas también amplía el abanico de aldehídos que podrían obtenerse mediante esta tecnología, lo que aumenta su interés para la fabricación de materias primas químicas destinadas a distintos sectores.
El trabajo del Instituto de Tecnología Química, centro mixto del CSIC y la UPV, propone así una nueva estrategia para controlar la actividad de los catalizadores de rodio en la hidroformilación. Su publicación en Nature sitúa el avance en el ámbito de la investigación en catálisis y abre nuevas líneas para estudiar su rendimiento, su escalabilidad y su posible aplicación en procesos industriales.
