Los materiales denominados redes metaloorgánicas (RMO, o MOF por sus siglas en inglés) vienen constituyendo un campo de trabajo muy productivo en química y ciencia de materiales en las últimas tres décadas. Estos materiales presentan una estructura muy porosa que los hace útiles en multitud de aplicaciones. Pero un aspecto de ellos que se quisiera superar es la necesidad de que exista un metal para sostener la estructura. Se ha probado a sustituirlo por un ion no metálico, pero hasta ahora se habían obtenidos estructuras no estables.
Ahora, un equipo de investigación ha utilizado simulaciones por computadora para diseñar y sintetizar estructuras que omitan el metal, estando completamente hechas de sales orgánicas. Estas estructuras salinoorgánicas (ESO) podrían ser más baratas de fabricar que sus contrapartes metaloorgánicas y tener cualidades de las que carecen estas. Por ejemplo, una ESO basada en halogenuros y aminas podrían capturar yodo contenido en residuos nucleares.
RMO y ESO
Las redes metaloorgánicas se construyen a partir de iones metálicos y grupos orgánicos llamados conectores que mantienen unidos a los metales, formando una red tridimensional cuyos nudos son los metales. Actualmente se han diseñado casi 100 000 RMO. Este éxito de síntesis resulta del principio isorreticular, que permite construir familias de estructuras análogas de forma predecible gracias a la propiedad de fuerte direccionalidad que poseen los enlaces covalentes, lo que implica poder conseguir geometrías estructurales bien definidas.
Las ESO son materiales parecidos, peros basadas en sales orgánicas, sin contener metales. Además, su estructura de polaridad eléctrica está invertida, ya que los nudos de la red tienen densidad de carga negativa (son aniones o grupos aniónicos, mientras en las RMO son iones metálicos positivos) y los conectores la poseen positiva (en los RMO los conectores aportan electrones para formar enlaces). Las ESO se mantienen unidas por atracción iónica de sus componentes cargados positiva y negativamente. Pero, a diferencia de los enlaces covalentes de las RMO, los enlaces iónicos son esencialmente adireccionales, y eso dificulta la construcción desde cero de redes tridimensionales de la geometría regular deseada.
Para soslayar este inconveniente sirve la predicción computacional de la estructura cristalina. Esta técnica ayuda a buscar aniones y cationes que casen lo mejor posible de manera que se puedan crear cristales de estructuras isorreticulares de baja energía.
En el caso de esta investigación concreta se encontraron combinaciones de cationes y aniones que podrían formar en teoría estructuras de sal porosas y termodinámicamente estables con tamaños de canales, funcionalidades y geometrías que se pueden predecir a priori.
Se trataba, además, de buscar los mejores candidatos para lograr una síntesis de laboratorio lo más simple posible. Estos fueron los iones haluros, como nudos, y los conectores tetrakis-(4-aminofenil)metano (abreviado TAPM); 4,4′,4′′-(1,3,5-triazina-2,4,6-triil)tris[bencenamina] (abreviado TT); 4′,4′′′,4′′′′′- (1,3,5-triazina-2,4,6-triil)tris[[1,1′-bifenil]-4-amina]) (TTBT); y 1,3,5-tris(4-aminofenil)benceno) (TAPT).
Como se ve en la imagen anterior, los conectores contienen tres o cuatro brazos cuyos extremos presentan grupos –NH2. Dada la naturaleza básica de estos grupos, la síntesis se lleva a cabo muy fácilmente añadiendo a disoluciones de los conectores el correspondiente haluro de hidrógeno en forma de ácido (HCl, HBr). Es decir, es una simple neutralización ácido-base. Las siguientes imágenes esquematizan algunas de las que se han obtenido (las bolas son nudos de Cl– o Br–). Las tres combinan una alta densidad de carga iónica con una porosidad permanente.
Mediante las técnicas adecuadas, el equipo de investigación confirmó que las estructuras cristalinas de los materiales sintetizados coincidían con las de las disposiciones porosas altamente estables predichas por las simulaciones. Los investigadores llaman a estos materiales estructuras orgánicas no metálicas, aunque el nombre parece sumamente vago y quizá sería más representativo el de redes salinoorgánicas por analogía al de la redes metaloorgánicas.
Aplicaciones
Para explorar las aplicaciones de esta estructuras, los investigadores probaron su capacidad para capturar yodo, una propiedad muy deseable porque los desechos nucleares a menudo contienen yodo radiactivo. Descubrieron que los tres materiales funcionaban igual de bien, si no mejor, que la mayoría de las RMO.
Fuente
M. O’Shaughnessy et alii. Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-024-07353-9 (2024).
