image: Uno de los retos actuales de la industria química es encontrar métodos que faciliten la optimización de catalizadores que permitan el desarrollo de nuevos procesos químicos. Normalmente, la optimización de catalizadores se basa en pruebas de ensayo y error, en las que las propiedades del catalizador se optimizan en un proceso lento y rutinario, en el que se buscan las mejores combinaciones entre el ligando y el metal, que son sus componentes básicos. Una vez que el catalizador ha sido optimizado, sus propiedades quedan fijadas y adaptadas para los requerimientos específicos de un proceso químico concreto. Una alternativa muy interesante a este método es diseñar un catalizador que contenga un ligando cuyas propiedades se puedan modular con la aplicación de un estímulo externo. Esas propiedades, que se conocen como «conmutables» (del inglés switchable), son mucho más fáciles de modular y, por tanto, de adaptar a las necesidades específicas de cada reacción. El grupo de Química Organometálica y Catálisis Homogénea (QOMCAT) de la Universitat Jaume I, ha diseñado, durante los últimos cuatro años, una serie de catalizadores multisensibles, que son capaces de adaptar sus propiedades a través de las aplicaciones de estímulos electroquímicos, luminosos, químicos y supramoleculares. La adaptación de las propiedades del catalizador a través de un estímulo externo simplifica enormemente el proceso de optimización, y permite que un mismo catalizador se pueda utilizar para facilitar un gran número de transformaciones químicas. La estrategia del grupo QOMCAT ha sido sintetizar ligandos que combinan naftalendiimidas (NDIs) con carbenos N-heterocíclicos (NHCs). Las NDIs son compuestos orgánicos muy sensibles a múltiples estímulos, como electroquímicos o luminosos, e incluso a la adición de aniones o aditivos supramoleculares. Y los ligandos NHC combinan una gran versatilidad coordinativa junto con una gran diversidad estructural, lo que permite que se pueda obtener una gran variedad de catalizadores de diferentes metales con una enorme versatilidad geométrica. La segunda línea de investigación de este grupo se enmarca en lo que se conoce como química supramolecular. La química supramolecular es la rama de la química que estudia las interacciones supramoleculares, es decir, las interacciones entre moléculas, permite comprender el mundo biológico y ayuda a establecer los principios de la nanotecnología. Esta línea de investigación ha llevado al grupo QOMCAT a la obtención de resultados de gran relevancia, gran impacto y reconocimiento internacional. En el año 2022, el grupo obtuvo un nuevo tipo de «molécula entrelazada mecánicamente» (MIM, de sus siglas en inglés), que consiste en el entrelazado de dos moléculas acíclicas. Esta molécula, a la que se ha llamado clipano, introduce un nuevo paradigma dentro de las MIM conocidas hasta el momento (catenanos y rotaxanos), ya que el tipo de enlace mecánico que se establece entre sus componentes es altamente novedoso. Los resultados, destacados en numerosas revistas de divulgación científica, entre ellas, la prestigiosa revista Science, permiten dar un nuevo paso en el diseño de máquinas moleculares y abren las puertas al desarrollo de nuevos materiales con propiedades aún por descubrir. El grupo QOMCAT también ha estudiado sistemas dinámicos, en los que una molécula confinada dentro de la cavidad de otra molécula de mayor tamaño experimenta un movimiento controlado. Comprender cuáles son los factores que determinan el movimiento de la molécula confinada (guest), dentro de la molécula que presenta la cavidad (host), son de vital importancia para diseñar sistemas en los que estos movimientos se puedan promover de forma dirigida y, por tanto, ser utilizados en el diseño de máquinas moleculares. En el año 2024, el grupo diseñó una «lanzadera molecular» (molecular shuttle), en la que una molécula confinada en la cavidad de otra molécula de tamaño nanométrico experimentaba un movimiento de traslación cuya velocidad se podía controlar por la temperatura. Este resultado constituye un avance fundamental en el diseño de máquinas moleculares y tuvo gran repercusión científica. En la votación organizada para elegir la molécula más relevante del año por la revista C&En News, la lanzadera molecular quedó en segundo lugar, tras la ciclodextrina del premio Nobel Sir Fraser Stoddart, y esta misma publicación, una de las más prestigiosas de divulgación en química, también publicó un artículo sobre este avance.
Credit: Universitat Jaume I of Castellón
One of the current challenges in the chemical industry is to find methods that facilitate the optimisation of catalysts capable of enabling the development of new chemical processes. Catalyst optimisation is usually based on trial-and-error testing, in which the properties of the catalyst are improved through a slow and routine process aimed at identifying the best combinations of ligand and metal, which are its basic components. Once the catalyst has been optimised, its properties are fixed and adapted to the specific requirements of a particular chemical process.
A highly interesting alternative to this method is to design a catalyst that contains a ligand whose properties can be modulated through the application of an external stimulus. These properties, known as “switchable”, are much easier to modulate and therefore to adapt to the specific needs of each reaction. Over the past four years, the Organometallic Chemistry and Homogeneous Catalysis Group (QOMCAT) at the Universitat Jaume I has designed a series of multisensitive catalysts capable of adapting their properties through the application of electrochemical, light-based, chemical and supramolecular stimuli.
Adapting the properties of a catalyst through an external stimulus greatly simplifies the optimisation process and enables a single catalyst to be used to facilitate a wide range of chemical transformations. The QOMCAT group’s strategy has been to synthesise ligands that combine naphthalene diimides (NDIs) with N-heterocyclic carbenes (NHCs). NDIs are organic compounds that are highly sensitive to multiple stimuli, such as electrochemical or light-based stimuli, and even to the addition of anions or supramolecular additives. NHC ligands, in turn, offer great coordination versatility and structural diversity, enabling the synthesis of a large variety of metal-based catalysts with remarkable geometric versatility.
The group’s second line of research falls within what is known as supramolecular chemistry. Supramolecular chemistry is the branch of chemistry that studies supramolecular interactions—interactions between molecules—which helps us understand the biological world and establish the principles of nanotechnology. This line of research has led QOMCAT to obtain highly relevant results with significant impact and international recognition.
In 2022, the group obtained a new type of “mechanically interlocked molecule” (MIM), consisting of two interlocked acyclic molecules. This molecule, named clipane, introduces a new paradigm within the MIMs known to date (catenanes and rotaxanes), since the type of mechanical bond established between its components is highly novel. The results, featured in numerous science communication journals, including the prestigious journal Science, represent a further step forward in the design of molecular machines and open the door to the development of new materials with properties yet to be discovered.
QOMCAT has also studied dynamic systems in which a molecule confined within the cavity of a larger one undergoes controlled motion. Understanding the factors that determine the movement of the confined molecule (guest) within the molecule containing the cavity (host) is essential for designing systems in which such movements can be promoted in a targeted way and, therefore, used in the design of molecular machines.
In 2024, the group designed a “molecular shuttle” in which a molecule confined within the cavity of a nanometre-sized host exhibited translational motion whose speed could be controlled by temperature. This result represents a major breakthrough in the design of molecular machines and attracted considerable scientific attention. In the poll organised by C&EN News to select the most significant molecule of the year, the molecular shuttle ranked second, just after the cyclodextrin developed by Nobel laureate Sir Fraser Stoddart, and the same publication—one of the most prestigious chemistry outreach journals—also published an article about this achievement.
This research is part of project PID2021-127862NB-I00, funded by MICIU/AEI/10.13039/501100011033 and FEDER/EU under the 2021–2023 State Plan for Scientific, Technical and Innovation Research, as well as projects funded by the Generalitat Valenciana (CIPROM/2021/079), the Universitat Jaume I (UJI-B2020-01) and TED2021-130647B-I00.
Articles: https://repositori.uji.es/search?query=PID2021-127862NB-I0
Journal
Inorganic Chemistry
Method of Research
Computational simulation/modeling
Subject of Research
Not applicable
Article Title
Guest Binding Mechanism of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons by Au(I) Metallo-Tweezers Revealed by Computation
Article Publication Date
13-Nov-2025