IV Carnaval de la Química: Complejos de coordinación, química organometálica y sus implicaciones en catálisis

Esta entrada participa en el IV Carnaval de la Química, hospedado en esta edición por el blog “Los productos naturales ¡Vaya timo!”

Hasta hace unos pocos siglos, podíamos incluir todo el conocimiento científico del mundo en un solo tomo que podría llevar como título “Atlas universal de la ciencia”, por decir algo. Pero hoy en día cada ciencia es un mundo para sí misma, con múltiples ramas y subramas y con temas que pasan a estar de moda y otros que dejan de estarlo.

Y si en física el tema que está actualmente de moda -y con “estar de moda” me refiero a que es donde se están poniendo más esfuerzos y que goza de mayor repercusión dentro de esta ciencia- es sin duda alguna la física de partículas, su homólogo químico lo encontramos en la química organometálica, campo premiado dos veces en esta última década con el Premio Nobel de química: el 2010 y el 2005.

Lo que primero llama la atención de la química organometálica es que no responde al clásico criterio de clasificación tan arraigado en esta ciencia: química orgánica, inorgánica, física y analítica. Aunque muchos químicos la ven más cerca de la inorgánica que de la orgánica, lo cierto es que ocurre algo parecido a los nuevos avances en el carbono (nanotubos, grafeno…), y es que no es posible acabar de empaquetarlos según este criterio. Más adelante veremos el porqué de esto.

Para empezar, tenemos que definir el “complejo de coordinación” o “ion complejo”: es una especie química consistente en un átomo metálico -que actúa en la mayoría de casos como ácido de Lewis (aceptor de electrones)- y que está rodeado de una o más moléculas que normalmente actúan de base de Lewis (donadores de electrones) y que se llaman “ligandos”. Si un ligando está enlazado al metal por un solo punto, diremos que es monodentado, y si lo está por más de uno, será polidentado. Un hecho más o menos característico de los complejos de coordinación es que forman estructuras muy simétricas y realmente elegantes:

          

Pues bien, estrictamente hablamos de química organometálica cuando se dan enlaces metal-carbono de carácter covalente; y esto ocurre en el seno de un complejo de coordinación. En realidad, esta definición es muy restrictiva, motivo por el cual no sería descabellado incluir en ella otros elementos como hidrógeno, nitrógeno u oxígeno.

La rama de la química que se ocupa de los compuestos de carbono es sin duda la orgánica, pero el metal que coordina a los ligandos que contienen carbono es tarea de la química inorgánica. Si además añadimos a esto el importante papel de los compuestos organometálicos en síntesis orgánica, queda justificada la ambivalencia de este este campo de la química.

Más allá del interés teórico y desinteresado que supone el estudio de compuestos de coordinación, pasando por sus implicaciones en bioquímica (por ejemplo en el grupo hemo de la hemoglobina, que podemos ver en la imagen que abre este post), y además (aunque estrechamente relacionado) de la síntesis orgánica antes mencionada, si la química organometálica goza de su actual y prolongada relevancia es también por las enormes posibilidades que ofrece en catálisis.

Nos centraremos aquí en la catálisis homogénea (otros tipos serían p. ej. heterogénea o fotocatálisis), que es aquella en la que productos, reactivos y catalizador (habitualmente un metal de transición) se encuentran disueltos en fase líquida. A pesar de ser muy efectiva, ya que no depende de la superfície del catalizador como en la heterogénea, presenta alguna desventaja como por ejemplo la dificultad de recuperar el catalizador, motivo por el cual la poderosa industria farmacéutica no tiene demasiado interés en el uso de reacciones catalizadas por metales de transición debido al riesgo de contaminación del producto por parte de los metales.

Aun así la catálisis homogénea puede ser de gran interés para otras industrias en las que esto no juega un papel importante, ya que presenta una serie de ventajas como el hecho que un proceso catalizado puede llegar a reducir considerablemente los costes respecto uno que no lo está debido a que se aumenta la velocidad de la reacción (como consecuencia de una disminución de la energía de activación) y por lo tanto el rendimiento de ésta por unidad de tiempo es superior. Otro motivo, este más ecológico, es que el catalizador no se consume en la reacción y por lo tanto se puede reutilizar repetidas veces, teniendo en cuenta que su vida es limitada.

¿Cómo funcionan los mecanismos catalíticos de los metales de transición? Bueno, explicado de forma muy cualitativa, por un lado tenemos que las constantes de formación de los complejos de coordinación acostumbran a ser muy elevadas (estamos hablando de varios órdenes de magnitud), lo cual significa que termodinámicamente su formación es muy favorable y que procesos que impliquen compuestos tan estables y poco reactivos como el nitrógeno molecular (N2) podrán ser catalizados. Otro aspecto sería que, para que tenga lugar una reacción, los reactivos, a nivel atómico, deben coincidir en el espacio y en el tiempo; y si son tan favorables a agregarse alrededor del metal de transición, es más probable que esto se de.

Para acabar, resaltar la importancia de la investigación desinteresada, tal y como la empezó Alfred Werner en complejos metálicos, sin probablemente sospechar que algún día acabaría teniendo implicaciones tan grandes en química, desde investigación puntera, hasta química verde, pasando por vastos procesos industriales.

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