Aquest any 2025 el Premi Nobel de Química ha anat a parar als artífex d’una nova forma de construir edificis moleculars; als creadors i desenvolupadors de les denominades estructures metal·lo-orgàniques, més conegudes, com tot en el món científic dels nostres dies, per la seva expressió anglesa: Metal-Organic Frameworks, abreujadament MOFs. Els guardonats són Susumu Kitagawa, Richard Robson i Omar M. Yaghi.
En essència, els MOFs són molècules construïdes combinant cations metàl·lics i molècules orgàniques que s’uneixen als metalls per enllaços de coordinació. Són, per tant, la darrera i més innovadora aplicació de la química de coordinació, que inicià el seu camí amb els descobriments d’Alfred Werner a principis del segle XX. Que els cations metàl·lics, independentment de la seva valència, es poden envoltar de molècules (designades amb la denominació de “lligands”) carregades negativament o que posseeixen grups funcionals rics en electrons (com, per exemple, amoníac o amines) formant estructures denominades complexos de coordinació va ser la gran aportació que li valgué a A. Werner el Premi Nobel de Química l’any 1913. L’atractiu i l’interès pràctic d’aquests macrocomplexos de coordinació de naturalesa cristal·lina que són els MOFs, rau especialment en la seva gran porositat i en la possibilitat d’aconseguir gairebé infinites combinacions de grups funcionals, segons les molècules orgàniques seleccionades, i per tant, de reactivitats potencials. Són materials amb una immensa capacitat d’adsorció, per la seva gran porositat, i que ja s’estan aplicant per a retenir i emmagatzemar gasos (diòxid de carboni, hidrogen, etc.) o líquids com, per exemple, aigua. Una de les aplicacions més interessants en aquest sentit és la captació i acumulació d’aigua atmosfèrica en zones d’escassetat hídrica. Per la seva reactivitat potencial, afegida a la gran superfície específica (es pot arribar als 10.000 m2/g) derivada de la seva porositat (prop del 90 % del volum de tota la massa), estan trobant aplicacions en camps tan diversos com la purificació d’aigües, catàlisi química, fotocatàlisi, fabricació de bateries i dispositius electrònics, biosensors, etc. i, possiblement, podran aportar solucions interessants com a sistemes de vehiculació de fàrmacs dins l’organisme tal com indiquen els estudis fets. Actualment són ja més de 100.000 els MOFs sintetitzats i són innombrables els que es preveu que apareguin els propers anys.
Els orígens
La natura ha estat la font d’inspiració per a molts d’avenços de la creativitat humana. En l’origen dels MOFs hi trobam les metal·loproteïnes, de les quals en els anys 1960 se’n començava a tenir prou informació com perquè Richard Robson, un químic de la Universitat de Melbourne amb impulsos innovadors i ganes d’explorar els límits de la síntesi química, es proposàs sintetitzar-ne estructures anàlogues en el laboratori. Es tractava d’imitar la química de coordinació biològica per a ser capaços de dissenyar molècules (com les metal·loproteïnes) a partir del que ell denominava, estructures pre-organitzades (els blocs amb què es poden construir les estructures finals amb les propietats i funcions desitjades). Després de sintetitzar i caracteritzar diversos complexos binuclears de coure, és a dir, complexos que contenen dos cations de coure, arribà la síntesi d’estructures similars o amb més centres metàl·lics (fins a 4 metalls per complex) i amb altres cations. El següent objectiu fou anar més enllà i intentar la síntesi d’estructures cristal·lines anàlogues al diamant enllaçant, també, cations metàl·lics amb molècules orgàniques. La primera d’aquestes estructures, obtinguda ja a finals dels anys 1980, fou la que es mostra a la imatge, constituïda per una xarxa de cations de Cu+ (bolles rosa) enllaçats als nitrils de la molècula C(C6H4.CN)4.
La inestabilitat de l’edifici molecular obtingut en limitava les aplicacions i contrarestava l’interès de la gran porositat, essencial per a potencials aplicacions reactives o catalítiques. És aquí on entren en joc, ja dins la dècada dels 90, els treballs de S. Kitagawa i O. M. Yaghi, continuadors del camí iniciat per R. Robson. El primer, a la Universitat de Kyoto, aconseguí, combinant diferents cations i lligand orgànics, estructures més estables amb les quals ja es pogueren comprovar les aplicacions en l’adsorció de gasos com oxigen, nitrogen i metà; el segon, a la Universitat de Califòrnia, Berkeley, sintetitzà l’any 1995 la primera estructura pròpiament denominada MOF i formada per cations de Cu+ i 4,4’-bipiridina. Posteriorment, aquest mateix autor i el seu equip sintetitzaren els MOFs més estables coneguts fins aleshores a base de lligands amb grups carboxílics i encunyaren el nom de “química reticular” per referir-se a aquesta nova química de síntesi amb la qual es construïen els MOFs. Precisament del grup d’investigació d’O.M. Yaghi es formaren les primeres empreses (spin-off) dedicades a la comercialització d’aplicacions dels MOFs, per exemple, per a la captació d’aigua atmosfèrica en zones àrides.
“En essència, els MOFs són molècules construïdes combinant cations metàl·lics i molècules orgàniques que s’uneixen als metalls per enllaços de coordinació”
Les aplicacions
És impossible delimitar l’abast total de les potencials aplicacions dels MOFs perquè són molts els camps, tal com hem comentat, on ara mateix s’està investigant i provant les prestacions d’aquests materials. El tractament d’aigües i les aplicacions biomèdiques són alguns del dominis on aquests materials es revelen especialment prometedors.
Tractament d’aigües. La gran capacitat adsorbent dels MOFs fa que siguin un excel·lent recurs per eliminar substàncies indesitjables de l’aigua. Dependrà del disseny concret de la seva estructura molecular, amb el qual es pot modificar la porositat i la reactivitat, la utilitat concreta que se’n pugui obtenir. Així, per exemple, s’han sintetitzat MOFs amb níquel capaços d’adsorbir, per cada gram, prop de 0,5 g d’arsènic(V); el MOF denominat UiO-66 té una capacitat de retenció per a certs composts orgànics clorats 30 vegades superior a la del carbó activat i amb UiO-66-NH2, D. Lacalamita et al. (2023) reporten eliminacions de fluor amb una eficiència del 70-80 % i 60 minuts de contacte. Més recentment encara, amb un derivat de UiO-66-NH2, R. Dalapati et al. (2025) han aconseguit retenir en cinc minuts el 99 % de l’àcid perfluorooctanoic (PFOA) d’una dissolució d’aquest contaminant en concentració de 50 µg/l. A més, en aquest darrer cas, l’aparició de fluorescència quan el PFOA es combina amb el MOF ofereix un interessant sistema de detecció de contaminants a l’aigua. Val a dir que els UiO juntament amb els MIL són les famílies de MOFs amb els quals més s’ha experimentat en la purificació d’aigües. UiO són les inicials de “Universitetet i Oslo” i MIL les de “Materials Institute Lavoisier” al·ludint als centres d’investigació on foren creats.
blanc: hidrogen; taronja i verd: porus de l’estructura)
La producció d’espècies reactives d’oxigen és una altra de les aplicacions amb què els MOFs, principalment amb Fe en la seva estructura, ofereixen moltes possibilitats en l’optimització de processos d’oxidació avançada per a l’eliminació de substàncies indesitjables de l’aigua. La capacitat floculant i els efectes directes biocides que poden tenir alguns MOFs (especialment amb coure) afegeixen més opcions amb aplicació pràctica.
“El tractament d’aigües i les aplicacions biomèdiques són alguns del dominis on aquests materials es revelen especialment prometedors”
Aplicacions biomèdiques. Igualment en aquest àmbit, les investigacions actuals s’orienten en tantes direccions com possibilitats dona la gran varietat i versatilitat de la química d’aquestes substàncies. És destacable, per fer-ne un resum molt selectiu, el paper que poden jugar els MOFs en la teràpia contra el càncer com a sistemes de transport de fàrmacs, generació d’espècies reactives d’oxigen (citotòxiques) per exposició a raigs X i també, com a agents coadjuvants per a tècniques d’obtenció d’imatges com la ressonància magnètica. La capacitat de transportar monòxid de carboni fins a les cèl·lules canceroses per així “asfixiar-les” és una altra de les aplicacions objecte d’intensos estudis. Més enllà de la teràpia anticancerosa, són dignes de ressaltar, per exemple, els estudis publicats (M. Ishfaq et al., 2025) sobre l’encapsulament i lliurament controlat, sobretot en funció del pH, de ciprofloxacina.
Els perills
Dels mateixos mecanismes que els fan útils per a certes aplicacions ja se’n poden deduir clares amenaces a la biocompatibilitat d’aquests materials. En primer lloc, sigui quina sigui la composició del MOF – i ja hem comentat que les possibles combinacions entre metalls i lligands són gairebé infinites – la toxicitat dependrà de l’estabilitat de l’estructura i de la facilitat amb què les cèl·lules quedaran exposades als cations o als lligands. La biocompatibilitat del MOF dependrà, en major o menor mesura, de la biocompatibilitat dels seus components. Tractant-se normalment de materials que entren en contacte amb l’organisme en forma de nanopartícules es poden preveure, tal com s’ha demostrat per a molts de MOFs, els efectes tòxics generals d’aquests materials que solen estar relacionats amb la facilitat, principalment per la seva gran superfície, de catalitzar reaccions redox generadores d’espècies reactives d’oxigen tòxiques. Pel que fa a la mida de les partícules, segons s’ha pogut verificar fins ara, es correlaciona amb la toxicitat de forma no lineal: per sota de 200 nm hi ha un increment de citotoxicitat amb la disminució de la mida, no obstant, en mides majors no és possible establir un model predictiu segur. La forma pot també contribuir al tipus d’interacció que s’estableix amb les cèl·lules influint, per exemple, en la major o menor activació de processos com la fagocitosi o la penetració a través de les membranes. Amb tot, la manca de procediments estandarditzats per a l’avaluació de la toxicitat in vitro i in vivo dels MOFs i, sobretot, la inexistència d’unes dades clíniques concloents pel que fa als efectes en humans, deixen aquests materials en una prometedora línia de sortida per a múltiples aplicacions però, en molts de casos, a l’espera de la certesa sobre la seva seguretat.
La nova arquitectura molecular ideada per Richard Robson fa més de 50 anys i desenvolupada per Susumu Kitagawa i Omar M. Yaghi, entre molts d’altres que els han seguit, ens proveeix de la capacitat de dissenyar i crear uns nous materials, els MOFs, amb un immens, gairebé il·limitat potencial d’aplicacions tecnològiques i biomèdiques. Ara, com sempre, cal assegurar que, a part dels beneficis, els riscos també estan controlats.
Imatges
Premis Nobel: Kyoto University/University of Melbourne/UC Berkeley
Cu(I)[C(C6H4 ·CN)4]}+: R. Robson. Chem. Rec. 2024, 24
UiO-66. https://www.chemtube3d.com/mof-uio66/
Bibliografia
Richard Robson. The Historical Development of the Concepts Underlying the Design and Construction of Targeted Coordination Polymers/MOFs: A Personal Account. Chem. Rec. 2024, 24
Paulina Wiśniewska, Józef Haponiuk, Mohammad Reza Saeb, Navid Rabiee, Sidi A. Bencherif. Mitigating Metal-Organic Framework (MOF) Toxicity for Biomedical Applications. Chem Eng J. 2023 September 01; 471
Isobel Tibbetts and George E. Kostakis. Recent Bio-Advances in Metal-Organic Frameworks. Molecules 2020, 25, 1291
Prachi Patel. The 2025 chemistry Nobel goes to MOFs. Chemical and Engineering News (c&en), October 8, 2025.
Prachi Mhettar, Niraj Kale, Jidnyasa Pantwalawalkar, Sopan Nangare and Namdeo Jadhav. Metal-organic frameworks: Drug delivery applications and future prospects. ADMET & DMPK 12(1) (2024) 27-62
