Diseño, síntesis, y estudio cristalográfico de nuevos materiales metal-orgánicos de indio y su aplicación en el ámbito de las reacciones multicomponente de Strecker y Ugi

Resumen

El campo de las redes de coordinación metal-orgánicas, conocidas por su denominación y abreviatura inglesa (Metal-Organic Frameworks, MOF) constituye un área en auge, novedosa pero ya con una destacada madurez gracias a más de dos décadas de investigación. Se trata de materiales formados por la combinación de cationes metálicos enlazados mediante moléculas orgánicas resultando en estructuras cristalinas tridimensionales. Como parte de la Química Reticular, el diseño y la obtención de MOFs ha permitido explorar un campo muy versátil, con amplia variabilidad estructural cuyas aplicaciones se extienden a lo largo de un gran abanico de opciones. El uso de materiales tipo MOF en el ámbito de la catálisis es especialmente interesante considerando las actuales tendencias medioambientales y sustentables de la investigación. Se prioriza aquello que reúna las cualidades de ser económico, fácil de producir y no tóxico, con el fin de reducir su impacto en la Naturaleza, aumentar la eficiencia, evitar disolventes contaminantes y reducir la generación de residuos. En este sentido, y cumpliendo con estos preceptos, mediante el empleo de MOFs como catalizadores heterogéneos, reciclables a lo largo de sucesivas reacciones, es posible economizar en el empleo, tanto del propio catalizador necesario, como de los reactivos. Gran parte de ello reside en un diseño versátil, consiguiendo las mejores características en lo relativo al entorno de coordinación del metal o la accesibilidad de los centros activos. En este trabajo, la elección del metal indio, con un marcado carácter ácido de Lewis y sus entornos de coordinación, ha permitido la síntesis de un total de cuatro nuevas estructuras. El objetivo principal del proyecto desarrollado ha sido el diseño y preparación de cuatro materiales tipo MOF con actividad catalítica en la realización de transformaciones orgánicas multicomponente, junto al estudio detallado de su actividad para obtener información sobre los mecanismos de reacción que tienen lugar dentro los poros o en la superficie de cada uno de los MOFs. Para llevar a cabo este trabajo, se ha recurrido a técnicas de difracción de rayos X, técnicas cromatográficas, resonancia magnética nuclear, microscopía óptica y electrónica, y análisis termogravimétricos, entre otras. En este contexto, el análisis topológico de las redes ha sido un protagonista fundamental para llevar a cabo los objetivos. La simplificación de las mismas en forma de nodos y su conectividad ha permitido comprender mejor las características de cada uno de los materiales, e interpretar los posibles mecanismos de reacción a partir de los experimentos de actividad catalítica. Todo ello ha repercutido en una mayor profundidad a la hora de relacionar la estructura con sus propiedades y su potencial como catalizador. Los diversos materiales han sido evaluados en condiciones experimentales comparables, a fin de poder inducir qué factores estructurales tienen relevancia a la hora de obtener mayores rendimientos. Finalmente, un estudio bibliográfico y descriptivo de los materiales tipo MOF de indio completa los objetivos propuestos. De esta forma se ha podido conocer cómo son y qué características cristaloquímicas presentan, pudiendo integrar las nuevas estructuras de este trabajo en su contexto. Las conclusiones permitieron reforzar la propuesta del mecanismo dual, por la cual la presencia tanto de centros ácidos como básicos puede tener una gran relevancia para la obtención de altos rendimientos de los compuestos deseados en el ámbito de estas reacciones multicomponente. Sin embargo, se observó que una destacada porosidad, junto a la fácil accesibilidad a una gran cantidad de centros activos, puede ser de gran relevancia al sincronizar la activación de los reactivos de partida y promover, no solamente altos rendimientos, sino también una selectividad total.