estudio teórico de nuevos materiales porosos de boro...
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Estudio teórico de nuevos materiales porosos de boro para su potencial aplicación en
almacenamiento de gases contaminantes y fármacos.
INTEGRANTES:
Iran Fernando Hernández Ahuactzi
Nancy Pérez Peralta
José Benito Pelayo Vázquez
DESCRIPCION DEL PROBLEMA.
La formación de nuevos materiales con cavidades o poros son de interés debido a las
potenciales aplicaciones que pueden tener como: tamices moleculares,1 desecantes,2 en
intercambio de iones,3 en catálisis heterogénea,4 en almacenamiento de fármacos5 y
almacenaje de gases contaminantes.6 En este sentido una opción para generar este tipo
de materiales mediante reacciones sencillas y de pocos pasos de reacción, es el uso del
enlace dativo Nitrógeno-Boro formado en la reacción acido-base de Lewis entre los
esteres borónicos y ligantes nitrógenados que da origen a estructuras discretas,
macrocíclicas o poliméricas de boro.7
Los esteres borónicos son obtenidos a partir de la reacción de condensación entre ácidos
arilborónicos y catecol. Los esteres borónicos son buenos ácidos de Lewis que pueden
formar aductos con bases de Lewis como la piridina, la formación del aducto va
acompañado por un cambio en la geometría del átomo de boro de trigonal plana a
tetraédrica (figura 1).8
Figura 1. Formación de un aducto entre la piridina y el éster borónico.8
El uso de esteres di- y tri-borónicos con ligantes poli-nitrogenados (ver figura 3), permite
la construcción de estructuras más complejas con una gran variedad estructural
dependiendo de la relación estequiometria, el número y orientación de los sitios de
reacción ácido-base de Lewis entre los esteres poli-borónicos y los ligantes poli-
nitrogenados como se puede apreciar en la figura 2.8
Figura 2. Variedad estructural formada por la reacción entre esteres di-borónicos y
ligantes nitrogenados.8
Desde la perspectiva de ingeniería de cristales también se puede llevar a cabo la
modulación del tamaño de las cavidades formadas en las jaulas o en la redes
bidimensionales de la figura 2, mediante el incremento del número de átomos de
nitrógeno o incrementado la distancia entre estos átomos donadores en los ligantes
nitrogenados (figura 3a). Otra opción similar a la descrita anteriormente es
incrementando el número y la distancia entre los átomos de boro de los esteres di- y tri-
borónicos (figura 3b).8-9
Figura 3. Variedad estructural. a) En los ligantes nitrogenados. b) Esteres di- y tri-borónicos.8-9
A pesar de la gran cantidad de estudios experimentales y teóricos sobre el diseño y
preparación de estos materiales porosos de boro con esteres di- y tri-boronicos con
bipiridinas o tripiridinas (figura 2 y 3), poco se ha realizado acerca de la preparación de
estos materiales porosos utilizando esteres tetra-borónicos (figura 4) y diferentes
bipiridinas, debido a la no disponibilidad en el mercado del ácido feniltetraborónico en
catálogos de reactivos finos (probablemente debido a que se tienen largas rutas de
síntesis para obtener los ácidos fenildiboronicos y feniltriboronicos, por lo cual la
dificultad sintética para obtener el ácido feniltetraboronico lo hace no accesible por el
momento). Por lo cual la originalidad del presente proyecto está enfocada en realizar el
estudio teórico de la formación de nuevos materiales porosos de boro (figura 4), con el
ester tetra-boronico, cabe mencionar que en el proyecto también se propone estudiar la
posibilidad de formar nuevos nanotubos de boro a través del uso de compuestos
macrociclicos de boro formados a partir de los esteres diborónicos y el uso de bipiridinas
(figura 5). Una vez que se tengan los materiales más estables se realizara el estudio del
almacenamiento de gases contaminantes como el CO, CO2 y paracetamol e ibuprofeno
(ver figura 6).
Figura 4. Esquema de la propuesta de formación materiales porosos de boro a partir del
ester tetra-borónico y bipiridinas.
- n H2O
6
6
R1
a)
R2
R1
R2
R3
R2
R1
R1
R2
R1 R2
R2
R2
R1
R1
R1
R2
2 12
b)
R2
R1
R1R3
R2
R1 R2
R2
R2R1
R1
R1
R2
Figura 5. Formación de nanotubos de boro y bipiridinas.
Figura 6. Almacenamiento de gases ó fármacos en los materiales de boro.
Cabe mencionar que el estudio también podrá generar el conocimiento necesario para
comprender las propiedades químicas de estos nuevos materiales y la información para su
potencial aplicación como materiales que almacenan gases contaminantes o fármacos,
finalmente el presente estudio teórico podrá generar la estrategia adecuada para
sintetizar estos materiales sin la necesidad de contaminar por el uso excesivo de reactivos
durante el proceso de establecer la ruta de síntesis adecuada.
MOTIVACION PARA ATENDERLO
El interés en realizar el estudio teórico de la formación de materiales porosos de boro se
debe a su posible aplicación en el almacenamiento de gases contaminantes que causan el
efecto invernadero como el monóxido y dióxido de carbono. Además de que se ha
reportado el uso de este tipo de materiales como reactores moleculares y su uso en
fuentes de energías limpias ya que se pueden utilizar en dispositivos fotovoltaicos.10
Cabe mencionar que realizar el estudio teórico de estos materiales ayudara a generar el
conocimiento básico necesario para el diseño de nuevos materiales con capacidad de
almacenar gases de manera selectiva y en el caso de los gases contaminantes estudiar el
mecanismo para su posterior transformación en sustancias menos nocivas para el
ambiente; por ejemplo la transformación del dióxido de carbono en ácido acético y el
monóxido de carbono a gas de síntesis. Recientemente se ha reportado el uso de
materiales porosos para almacenar fármacos debido a la alta área de superficie interna
disponible en los poros formados en estas especies.11
Además agregar que el estudio teórico permite evitar la contaminación del medio
ambiente y el ahorro de energía debido a que se puede llevar a cabo la análisis de la ruta
de síntesis de los materiales de boro sin utilizar un solo reactivo químico, ya que el avance
científico actual dentro del área del desarrollo de cálculos teóricos permite analizar y
predecir la relación que existe entre la alta complejidad estructural /propiedades
resultantes de los sistemas en estudio.
BENEFICIARIOS.
Este proyecto de investigación permitirá la formación de recursos humanos por medio de
la incorporación de al menos un tesista de licenciatura en el trabajo de investigación, de
igual forma se contribuirá en fortalecer la línea de investigación “Diseño, síntesis,
caracterización y aplicación de materiales organometálicos y de coordinación en la
industria" no se descarta la posibilidad de interactuar con otros grupos de investigación
para realizar la preparación de los materiales. Finalmente la Universidad de Guadalajara se
beneficiara debido a que los resultados obtenidos serán publicados y presentados en un
congreso nacional, por lo cual permitirá el incremento en la productividad científica.
METODOLOGIA
Para lograr los resultados esperados el proyecto se desarrollara conforme a la siguiente
metodología que se ha dividido en seis etapas.
1. Determinación de las estructuras correspondientes a los esteres tetra-borónicos y las
bipiridinas.
Se realizara una búsqueda en la base de datos CCDC (Cambridge Crystallographic Data
Centre) para determinar cuál es la geometría y conformación mas estable para las
bipiridinas, los esteres borónicos y compuestos macrocíclicos de boro reportados y tomar
esta información para calcular los mínimos locales de cada compuesto que formara el
material poroso en el presente proyecto, para este propósito se utilizara el programa
Gaussian09, utilizando para los cálculos el funcional B3LYP en combinación con las bases
6-31+G, 6-311++G o 6-311++G(2d,2p) ya que se ha reportado como adecuadas para estos
compuestos por otros grupos de investigación11 (una vez optimizadas y caracterizadas
como mínimos locales todos los compuestos que se van a utilizar en el proyecto se
considerara como superada esta etapa).
2. Combinación (auto-ensamble) de los compuestos que formaran los materiales porosos
de boro y nanotubos de boro (ver figura 4 y 5).
Se determinara la proporción adecuada para formar materiales porosos así como
nanotubos, con los esteres tetra-borónicos, bipiridinas y macrociclos de boro que fueron
previamente optimizadas y caracterizados como mínimos locales. Una vez que se tienen
todas las posibles combinaciones en cada caso se procederá a realizarles un cálculo de
optimización de energía para determinar el ensamble más estable de cada grupo y se
caracterizara como un mínimo mediante un posterior cálculo de frecuencias (una vez
obtenido el mínimo de cada grupo de compuestos auto-ensamblados se considera
lograda esta segunda etapa).
3. Cálculos teóricos del almacenamiento de los gases contaminantes en los materiales
porosos y nanotubos (ver figura 6).
Analizar todas las posibles orientaciones de los gases y fármacos dentro de los poros de
los materiales generados en la etapa 2, para determinar la orientación más estable y el
tipo de enlazamiento que favorece la absorción del material almacenado para determinar
la energía de esta interacción (una vez determinado el tipo de enlace que favorece la
interacción más fuerte entre los materiales almacenados y el compuesto poroso se
considera lograda esta etapa).
4. Modulación del tamaño de poro de los materiales formados.
Una vez determinado la factibilidad de la formación de los materiales y su capacidad de
almacenar gases y fármacos se procederá a modular el tamaño de los poros mediante el
uso de los diferentes compuestos de boro y ligantes nitrogenados (ver figura 4 y 5). El
logro de esta etapa será cuando se encuentren y optimicen los compuestos porosos
isoestructurales optimizados en la etapa 2
5. Almacenamiento de gases y fármacos en los materiales isoestructurales.
Se procederá de manera similar a la etapa 3, sin embargo debido al mayor tamaño de los
poros de estos nuevos materiales se determinara el incremento en la capacidad de
almacenamiento de las moléculas objetos de estudio (una vez determinado el incremento
de la capacidad de almacenamiento del material y la obtención de la energía de
enlazamiento se considera superada esta etapa)
6. Presentación de resultados, revisión final de la tesis de un alumno de licenciatura en
Ingeniería en Nanotecnología y draft para publicación del articulo.
Una vez terminado el proyecto se participara en un congreso nacional (aun por
determinar) para exponer a la comunidad científica los resultados obtenidos y se
considera tener terminada una tesis de licenciatura, así como el draft del artículo que será
enviado para su publicación ( se considera el logro de esta etapa cuando se tenga la
constancia de participación en modalidad de cartel del congreso, la asignación del comité
de evaluación de la tesis y el draft del articulo).
IMPACTO DEL PROYECTO EN LAS LINEAS DE INVESTIGACIÓN DEL CA El desarrollo del proyecto de investigación ayudara a incrementar el trabajo colegiado
entre los participantes del cuerpo académico así como la productividad global del grupo
de trabajo ya que permite la formación de recursos humanos, la participación en un
congreso y la publicación de un artículo de un proyecto que permitió la integración de
algunos de los conocimientos especializados de cada integrante del cuerpo académico,
debido a que el desarrollo del mismo requirió conocimientos de química de coordinación y
fisicoquímica teórica. Además mencionar que debido a que los compuestos calculados
tienen potenciales aplicaciones se cumple en el desarrollo de la Línea de Generación y
Aplicación del Conocimiento que cultiva el Cuerpo Académico.
CADENA DE VALOR
El proyecto impactara desde el punto de vista nacional en la generación de conocimiento
básico para el diseño de nuevos materiales que almacenen gases contaminantes que
provocan el calentamiento global como lo son el CO y CO2. Para lograr este nivel de la
cadena de valor el Centro Universitario cuenta con el estaciones de trabajo para realizar
los estudios teóricos. Además se someterá a discusión los resultados obtenidos a nivel
nacional con la participación en 1 congreso especializado de cálculos teóricos y se
fortalecerá la colaboración con el Dr. Mario Sánchez del CIMAV- Monterrey.
Su impacto a nivel estatal se enfocara en el desarrollo de investigación científica básica del
diseño de nuevos materiales que almacenan fármacos y gases contaminantes. El estudio
teórico servirá como base para proponer una ruta de síntesis de estos materiales en el
Centro Universitario de Tonalá y cabe mencionar que estos materiales pueden actuar
como reactores moleculares y transformar los gases en materias primas útiles en procesos
industriales. Este nivel se lograra con ayuda del software Gaussian09 y se plantea
establecer colaboración con cuerpos académicos del estado para analizar la factibilidad de
llevar a cabo su síntesis.
A nivel institución se formaran recursos humanos por la participación de 1 tesista de
licenciatura y 1 alumno de servicio social que se involucre en el proyecto, además el
desarrollo del mismo ayudara a incrementar la productividad en investigación básica en el
Centro Universitario de Tonalá y no se descarta la posibilidad de generar una patente a
largo plazo cuando se logre la preparación de los materiales en colaboración con otros
cuerpos academicos.
TEMÁTICA DEL PROYECTO DEL CA El proyecto está enfocado al diseño por cálculos teóricos de nuevos materiales porosos de
boro que sean capaces de almacenar y transformar gases contaminantes como el
monóxido y dióxido de carbono en sustancias menos nocivas el ambiente. En el caso de
los fármacos, la finalidad es generar el conocimiento teórico básico para proponer nuevos
materiales que sean capaces de almacenar grandes cantidades de fármaco y que lo
dosifiquen en tiempos prolongados, para lograr lo anterior se requiere estudiar nuevas
alternativas de materiales de soporte de las sustancias activas.
ACTIVIDADES DEL CA:
1. Diseño de los materiales porosos a partir del conocimiento de la reactividad del boro
(Iran Fernando Hernández Ahuactzi y Nancy Pérez Peralta).
2. Análisis de la reactividad de los compuestos seleccionados para el auto-ensamble (José
Benito Pelayo Vázquez e Iran Fernando Hernández Ahuactzi).
3. Química de coordinación de los compuestos de boro y las bipiridinas (Iran Fernando
Hernández Ahuactzi y José Benito Pelayo Vázquez).
4. Cálculos teóricos de los nuevos materiales (Nancy Pérez Peralta e Iran Fernando
Hernández Ahuactzi).
5. Análisis de la química anfitrión-huesped entre los materiales porosos y los gases y
fármacos almacenados (Iran Fernando Hernández Ahuactzi, José Benito Pelayo Vázquez y
Nancy Pérez Peralta).
6. Análisis y publicación de los resultados obtenidos (Iran Fernando Hernández Ahuactzi,
José Benito Pelayo Vázquez y Nancy Pérez Peralta).
OBJETIVO GENERAL
Realizar el estudio teórico de nanotubos de boro formados con esteres tetra-borónicos y
ligantes nitrogenados para su potencial aplicación como materiales que almacenan gases
contaminantes y fármacos.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Analizar las diferentes estructuras reportadas de los macrociclos de boro de
esteres di- y tri-borónicos presentes en los compuestos formados
experimentalmente para considerar la variedad estructural posible en los esteres
tetra-borónicos a utilizar en el proyecto.
Determinar la proporción optima de combinación de los esteres tetra-borónicos y
macrociclos de boro con las bipiridinas para formar materiales porosos de boro e
incluso nanotubos.
Realizar la modulación del tamaño de las cavidades o poros en estos materiales
mediante el incremento de la distancia entre los átomos de boro en los esteres
tetra-borónicos y en los ligantes nitrogenados (bipiridinas).
Realizar el estudio de almacenamiento de los gases contaminantes (mono y
dióxido de carbono) así como de fármacos comunes como el ibuprofeno y
paracetamol.
Determinar la orientación e interacciones responsables del almacenamiento de los
gases contaminantes y fármacos.
Determinar la ruta de conversión de los gases contaminantes a sustancias no
nocivas al ambiente.
Formar recursos humanos especializados en el estudio teórico propuesto.
RESULTADOS
La experiencia de los participantes en el proyecto permitirá la generación de una tesis de
licenciatura, la presentación del trabajo en un congreso nacional y la publicación de los
resultados obtenidos en una revista. Además de las herramientas necesarias para la
obtención de los materiales analizados por cálculos teóricos.
REFERENCIAS
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11. J. Kua, C. R. Gyselbrecht, J. Phys. Chem. A, 111 (2007) 4759.