Investigación en catálisis Catalisis eficientes con menos metal

En la fabricación de medicamentos y otros productos químicos se suelen utilizar como catalizadores metales preciosos, que son caros, o metales pesados, que son tóxicos. Con el fin de que los procesos sean más eficientes, económicos y sostenibles, los investigadores del ISTA están desarrollando un catalizador de níquel activado por la luz. Este permite la formación eficiente de una amplia gama de enlaces químicos.

Detrás de una pared de cristal en el Pieber Lab del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA), unas lámparas LED iluminan pequeños recipientes de reacción. La luz no sirve aquí únicamente para iluminar, sino que proporciona la energía que activa un catalizador de níquel y permite que se produzcan reacciones químicas.

En un nuevo estudio, el grupo de investigación dirigido por Bartholomäus Pieber demuestra que un catalizador de níquel desarrollado específicamente para este fin puede hacer que la síntesis química impulsada por la luz sea tanto más versátil como más eficiente.

Pieber y su equipo del ISTA, en colaboración con Daniel Bím, de la Universidad de Química y Tecnología de Praga, han desarrollado un nuevo sistema catalítico. Este sistema une componentes químicos de forma selectiva y eficiente, y para ello solo necesita cantidades muy pequeñas de níquel.

El níquel en el punto de mira

Los medicamentos se fabrican normalmente mediante procesos químicos de varias etapas. Uno de los tipos de reacción más habituales en este contexto es el denominado «acoplamiento cruzado», en el que dos componentes moleculares se unen entre sí mediante un nuevo enlace químico con la ayuda de un catalizador metálico. En muchas reacciones importantes de acoplamiento cruzado se utilizan catalizadores a base de paladio. 

La química que subyace a este proceso les valió incluso el Premio Nobel a sus descubridores: Richard Heck, Ei-ichi Negishi y Akira Suzuki recibieron el galardón en 2010 por el desarrollo de reacciones de acoplamiento cruzado catalizadas por paladio en la síntesis orgánica. Precisamente estas reacciones han marcado de forma decisiva la fabricación de fármacos, productos agroquímicos y otros productos químicos finos. Aunque los catalizadores de paladio son muy eficientes, este metal precioso es también escaso y caro.

Hace unos diez años, los primeros estudios demostraron que, en lugar del paladio, también es adecuada una combinación de un catalizador de níquel y un segundo catalizador que utiliza la luz visible como energía de activación. De este modo, estas reacciones podrían resultar más económicas y sostenibles. Sin embargo, hay un inconveniente: los catalizadores de níquel son menos eficientes y no permiten el mismo abanico de reacciones que los catalizadores de paladio.

«En nuestro laboratorio intentamos comprender por qué los sistemas modernos de catálisis con níquel presentaban limitaciones. Partiendo de este conocimiento, desarrollamos, sintetizamos y estudiamos candidatos y métodos alternativos», explica Pieber, director del grupo de investigación.

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Poco níquel, gran efecto

El avance del equipo de investigación se basa en un ligando diseñado a medida que aumenta la actividad catalítica del átomo de níquel tras su activación mediante luz visible. De este modo, el nuevo catalizador puede establecer enlaces entre átomos de carbono, nitrógeno, oxígeno, azufre o fósforo, uniendo así dos moléculas para formar una estructura más grande y compleja. «El resultado más notable fue que pudimos establecer enlaces complejos de forma eficiente con una cantidad muy pequeña del catalizador de níquel», afirma el doctorando Aleksander Bena.

En total, la cantidad de catalizador necesaria se reduce a 100 ppm, es decir, un 0,01 % molar. En términos sencillos, esto significa que, en este experimento, una sola molécula de catalizador de níquel genera hasta 10 000 moléculas de producto.

El estudio muestra cómo el conocimiento de la reactividad básica de las moléculas a base de níquel contribuye a convertir un metal muy común en un catalizador más eficaz.

«Normalmente, solo se consiguen cantidades tan pequeñas de catalizador con catalizadores a base de paladio. Es muy emocionante que esto se consiga con un catalizador de níquel», añade el jefe del grupo, Pieber. «Esta combinación de una cantidad reducida de catalizador y una amplia aplicabilidad a muchos componentes diferentes podría hacer que este enfoque resultara especialmente interesante para la síntesis de productos farmacéuticos y de química fina».

Evolución a lo largo de varios años

Ya en 2020, el grupo dirigido por Pieber logró dar un primer paso importante al superar algunas limitaciones de la catálisis con níquel. Normalmente, los catalizadores de níquel se destruyen cuando se utilizan componentes complejos. Sin embargo, esto se puede evitar mediante un control minucioso de las condiciones de reacción. El enfoque que adoptaron entonces los investigadores funcionó, aunque las reacciones seguían siendo muy lentas y requerían una gran cantidad de catalizadores de níquel.

«Por supuesto, eso aún estaba muy lejos de ser un método eficiente», afirma Pieber. «Pero fue una prueba de que era factible. En los últimos años, nuestra comprensión de estas reacciones catalíticas ha mejorado constantemente». Partiendo de estas experiencias, el doctorando Aleksander Bena diseñó y probó posibles estructuras para catalizadores de níquel más eficientes y resistentes, que pueden activarse con luz visible. «Me gusta el reto de resolver un enigma químico. Se desarrolla una idea, se comprueba experimentalmente y se aprende algo de cada resultado», afirma Bena. Su tenacidad condujo finalmente al nuevo sistema catalítico, que tiene una amplia gama de aplicaciones y requiere una cantidad significativamente menor de níquel.

Los investigadores han demostrado ya la versatilidad de su método mediante la síntesis de más de 150 productos. La gama abarca desde simples componentes moleculares hasta moléculas complejas y derivados de medicamentos como la fluoxetina, uno de los antidepresivos más comunes y más recetados.

Publicación original: A. R. Bena et al.: El diseño de ligandos amplía NiI-acoplamientos C(sp²)–heteroátomo catalizados por Ni de bromuros de arilo con bajas cargas de catalizador, Nature Catalysis (2026); DOI: 10.1038/s41929-026-01616-6