Diseño de un catalizador heterogéneo mediante la inmovilización de nanopartículas de óxido de cobre en soportes de quitosano, con potencial uso en síntesis orgánica

Abstract

Copper-based metal catalysts are highly attractive because of their high catalytic potential and low cost. It is well known that when this metal has nanometric dimensions its catalytic activity is favored due to its high surface area, and at the same scale, it has applications in the biomedical area as antibiotic, antimicrobial and antifungal agent, in the textile industry as a dye or pigment, and in electronics. In spite of this, it has been considered that metallic catalysts residues remaining in the reaction media are contaminant and toxic, therefore some alternatives have been sought to reduce this impact. Some methodologies have proposed as a solution to this problem, including the use of supporting materials for compounds with catalytic activity, as a contribution to green chemistry and with the main objective of obtaining a manageable, ease of separation, reusable and resistant to reaction conditions catalyst. This work describes a simple methodology for the synthesis of a heterogeneous catalyst with nanometric dimensions, obtaining from the chemical reduction of a copper salt and its subsequent support in chitosan, a biopolymer capable to bind metals ions due to its chelation capability. The copper precursor salt is reduced to Cu2O, which was verified by the X-ray diffraction patterns. The oxide is present as micro and nanocrystals with cubic, octahedral structure, needles geometries, as observed by Scanning Electron Microscopy. These structures provide a large number of flat faces and edges, which can greatly enhance the interaction for the use as a catalyst. The Cu2O micro and nanocrystals powders were successfully supported into chitosan flakes taking advantage of its chelating capacity.

Los catalizadores metálicos a base de cobre son altamente atractivos por su alto potencial catalítico y bajo costo. Es ampliamente conocido que cuando este metal posee dimensiones nanométricas su actividad catalítica se favorece por su alta área de superficie, y a esta misma escala ha sido aplicado en el área biomédica por actuar como un agente antibiótico, antimicrobiano y antifúngico, en la industria textil como colorante o pigmento, y en electrónica. A pesar de ello, los residuos metálicos derivados de su uso como catalizadores son contaminantes y tóxicos, por lo que se han buscado alternativas que disminuyan tal impacto. Como solución a esta problemática, han surgido metodologías que incluyen el uso de materiales de soporte para compuestos con actividad catalítica, esto como aporte a la química verde y con el objetivo de obtener un catalizador manejable, recuperable, reutilizable y resistente a las condiciones de reacción. Este trabajo de tesis describe una metodología simple para la síntesis de un catalizador heterogéneo con dimensiones nanométricas, obtenido a partir de la reducción química de una sal de cobre y su posterior soporte en quitosano, un biopolímero capaz de retener iones metálicos debido a su capacidad quelante. La sal precursora de cobre se reduce a Cu2O, lo cual se verificó mediante los patrones de difracción de rayos X. El óxido se presenta en forma de microcristales con estructura cúbica, octaédrica y en forma de agujas lo que fue posible observar mediante microscopía electrónica de barrido. Estas estructuras proveen de una gran cantidad de caras planas y aristas, lo que puede favorecer en gran medida la interacción para su uso como catalizador. Los microcristales de Cu2O en forma de polvos fueron exitosamente soportados en hojuelas de quitosano tomando ventaja de su capacidad quelante.