Construyendo una mejor trampa salina: sintetizan una 'jaula' molecular para atrapar cloruro

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nueva molécula de triazol

La nueva molécula de extracción de sal consta de seis "motivos" de triazol

Investigadores de la Universidad de Indiana han creado una nueva y poderosa molécula para la extracción de sal de un líquido. El trabajo tiene potencial para ayudar a aumentar la cantidad de agua potable en la Tierra.

Construida con enlaces químicos que antes se consideraban demasiado débiles, la nueva molécula ha mejorado alrededor de diez mil millones de veces en comparación con una estructura similar creada hace 10 años en la IU.

"Si tuviera que colocar una millonésima parte de un gramo de esta molécula en una tonelada métrica de agua, el 100 por ciento de ella aún podrá capturar una sal", dijo Yun Liu, quien dirigió el estudio como estudiante de Ph.D. en el laboratorio de Amar Flood, el Profesor de Química James F. Jackson y el Profesor Luther Dana Waterman en el Departamento de Química de la Facultad de Artes y Ciencias Bloomington de la IU.

La molécula está diseñada para capturar cloruro, que se forma cuando el elemento cloro se empareja con otro elemento para obtener un electrón. La sal de cloruro más conocida es el cloruro de sodio o sal de mesa común. Otras sales de cloruro son cloruro de potasio, cloruro de calcio y cloruro de amonio.

Al mismo tiempo que la población humana continúa creciendo, la infiltración de sal en los sistemas de agua dulce está reduciendo en todo el mundo el acceso a agua potable. Solo en los EE. UU., el Servicio Geológico de EE. UU. estima que ingresan a las corrientes de agua dulce 271 toneladas métricas de sólidos disueltos por año, incluidas las sales.

Los factores que contribuyen incluyen los procesos químicos involucrados en la extracción de petróleo, el uso de sales de carreteras y ablandadores de agua, y el desgaste natural de la roca. Solo se necesita una cucharadita de sal para contaminar permanentemente 20 litros de agua.

Yun Liu muestra la nueva molécula de triazolLa nueva molécula de extracción de sal creada en la UI consta de seis "motivos" de triazol (anillos de cinco miembros compuestos de nitrógeno, carbono e hidrógeno) que, en conjunto, forman una "jaula" tridimensional perfectamente formada para atrapar el cloruro. En 2008, el laboratorio de Flood creó una molécula bidimensional, con forma de rosquilla plana, que utilizaba cuatro triazoles. Los dos triazoles adicionales dan a la nueva molécula su forma tridimensional y un aumento de diez mil millones en eficacia.

La molécula también es única porque se une al cloruro utilizando enlaces carbono-hidrógeno, que antes se consideraban demasiado débiles para crear interacciones estables con el cloruro en comparación con el uso tradicional de los enlaces nitrógeno-hidrógeno. A pesar de las expectativas, los investigadores encontraron que el uso de triazoles creaba una jaula tan rígida que formaba un vacío en el centro, que atraía los iones de cloruro.

Por el contrario, las jaulas con enlaces nitrógeno-hidrógeno son a menudo más flexibles, y el centro similar al vacío necesario para la captura de cloruro requiere una aportación de energía, lo que reduce su eficiencia en comparación con una jaula a base de triazol.

"Si tomara nuestra molécula y la apilara contra otras jaulas que usan enlaces [más fuertes], estamos hablando de muchos órdenes de magnitud de aumento de rendimiento", dijo Flood. "Este estudio muestra realmente que la rigidez es poco apreciada en el diseño de las jaulas moleculares".

La rigidez también permite que la molécula retenga su forma después de que se haya perdido el cloruro central, en comparación con otros diseños que se colapsan en las mismas circunstancias debido a su flexibilidad. Esto proporciona a la molécula mayor eficacia y versatilidad.

El trabajo también es reproducible. La primera molécula tardó casi un año en sintetizarse, dijo Liu, quien se sorprendió al descubrir los cristales necesarios para confirmar la estructura única de la molécula formada después de que el experimento se quedara solo en el laboratorio durante varios meses, algo sorprendente ya que este proceso generalmente requiere una cuidadosa vigilancia.

La formación del cristal representó un momento "eureka", lo que demuestra que el diseño único de la molécula era realmente viable. Más tarde, Wei Zhao, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Flood, pudo recrear la molécula en varios meses.

El diseño de la molécula se informó el 23 de mayo en la revista Science: Chloride capture using a C–H hydrogen bonding cage

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