Metales 'verdes' para reducir costes energéticos, económicos y medioambientales

Los metales de transición son los elementos químicos que se encuentran en la zona intermedia de la Tabla Periódica. Debido a las propiedades de estos elementos, el ser humano ha tenido desde siempre una gran fascinación por ellos. De hecho, algunos de estos metales han sido empleados desde la Prehistoria, bien por sí solos o mezclados con otros dando lugar a aleaciones. Por ejemplo, el hierro y el cobre han sido a lo largo de la Historia usados ampliamente en la fabricación de objetos con evidente utilidad práctica como herramientas o armas. Por otra parte, el empleo de otros, como es el caso de algunos metales preciosos como el oro y la plata, se ha fundamentado en ciertas características como su rareza, brillo y durabilidad, que ha dado lugar a que sean muy utilizados, aún hoy, en joyería o para la fabricación de monedas. 

En la actualidad, las aplicaciones de los metales de transición son muy numerosas, abarcando áreas que comprenden desde la electrónica a la medicina. En particular, el empleo de estos metales como catalizadores ha contribuido de manera muy notable al desarrollo y al grado de bienestar de la sociedad actual, lo que puede entenderse si se tiene en cuenta que se estima que más del 80% de los procesos de la industria química requieren del empleo de al menos una reacción catalítica. Un catalizador es un compuesto que participa en una reacción química, en la que dos o más sustancias interaccionan entre sí dando lugar a nuevos productos, aumentando la velocidad del proceso sin que, al menos formalmente, el catalizador sufra transformación alguna. De este modo, mediante el empleo de un catalizador se consigue que una reacción química transcurra en menor tiempo y en condiciones más suaves (por ejemplo, menor temperatura) para que sea de utilidad práctica, lo que puede dar lugar a una reducción de los costes energéticos, económicos y medioambientales asociados al proceso.

Los metales de transición, formando parte de complejos de coordinación en los que el metal se encuentra unido a uno o varios fragmentos de naturaleza orgánica denominados ligandos, han dado lugar a catalizadores muy eficientes en numerosos procesos catalíticos de interés industrial, cuyos productos encuentran aplicación en campos tan diversos como el farmacéutico, el de los plásticos o el agroquímico. Mediante una adecuada elección de los ligandos resulta en muchos casos posible modificar las características del centro metálico para adecuar la reactividad del catalizador y hacerlo más activo (rápido) y selectivo (formación preferente de un único producto).

En muchos procesos llevados a cabo por la industria química es habitual el empleo de catalizadores basados en metales preciosos como el rodio, el rutenio o el iridio. Estos elementos, que se localizan en la Tabla Periódica en las segunda y tercera series de transición, se encuentran en concentraciones muy bajas (menos de 4×10-4 ppm) en la corteza terrestre, lo que hace que su extracción y procesado sean enormemente costosos en términos económicos y presenten un elevado impacto para el medioambiente.

En consecuencia, no es de extrañar que la sustitución de los metales preciosos usados en la formulación de catalizadores por otros abundantes y más fácilmente disponibles como aquellos de la primera serie de transición, como el cobalto (24 ppm), el manganeso (716 ppm) o el hierro (más de 40000 ppm), sea un objetivo importante para el desarrollo de una industria química medioambientalmente más sostenible o “verde”. Además, la motivación por el empleo de catalizadores basados en metales abundantes se extiende más allá del beneficio económico o del impacto medioambiental asociado a la extracción de elementos presentes en bajas concentraciones en la corteza terrestre, ya que la incertidumbre respecto a la distribución geopolítica y posible mayor toxicidad de los metales preciosos son también incentivos poderosos para su sustitución.

Sin embargo, el desarrollo de estos nuevos catalizadores representa un reto enorme, debido en buena medida a la menor actividad catalítica que suelen exhibir los metales de la primera serie de transición respecto a los de la segunda y tercera series en algunos tipos de procesos catalíticos, y al diferente comportamiento químico que muestran. Una estrategia para afrontar estas dificultades consiste en el diseño de nuevos ligandos que modifiquen la reactividad del centro metálico del catalizador con la finalidad de que en un proceso catalítico se comporte del modo deseado. Con este fin, es necesario no sólo sintetizar y ensayar nuevos catalizadores basados en metales abundantes, sino también realizar estudios de carácter más fundamental, o menos aplicado, que proporcionen información a nivel molecular sobre la reactividad de estas especies y que, mediante la mejora del conocimiento de su química, permita avanzar en el desarrollo de catalizadores más eficientes.