Las estructuras orgánicas covalentes (COF) están impulsando avances en energías renovables y biomedicina.

Los marcos orgánicos covalentes (COF) son una clase fascinante de materiales porosos cristalinos que han ganado mayor protagonismo en los últimos años. Estas estructuras ordenadas se construyen a partir de bloques de construcción orgánicos conectados mediante fuertes enlaces covalentes, formando redes extendidas bidimensionales (2D) o tridimensionales (3D) con topologías predecibles y un control estructural excepcional.

Otros tipos de materiales porosos han sido noticia recientemente, en particular los marcos metal-orgánicos (MOF), que fueron objeto del Premio Nobel de Química 2025. Los MOF son prometedores por sus aplicaciones en separación de gases, catálisis, almacenamiento de energía y usos biomédicos como los sensores. Los COF también pueden utilizarse en estas aplicaciones debido a su funcionalidad similar. Sin embargo, a diferencia de los MOF u otros materiales porosos como las zeolitas, los COF están compuestos íntegramente por elementos ligeros como carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno y boro.

Esta composición libre de metales hace que los materiales COF sean más ligeros, menos susceptibles a la hidrólisis y les confiere una extraordinaria estabilidad química y térmica. Además, mientras que los MOF poseen nodos metálicos que pueden ser tóxicos y plantear problemas medioambientales, los COF ofrecen una alternativa más sostenible, con potencial de reciclabilidad y menor toxicidad.

Los COF también presentan superficies ultraelevadas (a menudo superiores a 2000 m²/g) y tamaños de poro ajustables que van desde escalas microporosas a mesoporosas. Ofrecen varias ventajas clave, como porosidad permanente, baja densidad y funcionalización superficial sencilla, junto con la capacidad de someterse a modificaciones pre y post-sintéticas.

La combinación única de poros cristalinos, arquitectura ajustable y precisión estructural ha situado a los COF a la vanguardia de aplicaciones como el almacenamiento y separación de gases, la catálisis, la detección y la optoelectrónica. A medida que la investigación en este campo sigue expandiéndose, los COF están preparados para desempeñar papeles más importantes en tecnologías de próxima generación, que van desde la captura de carbono y el almacenamiento de energía limpia hasta sistemas avanzados de administración de fármacos y remediación medioambiental.

Los datos de publicación confirman el creciente interés por los COF. Al analizar la CAS Content Collection^™, el mayor repositorio de información científica curado por expertos, confirmamos que este campo ha crecido exponencialmente desde el descubrimiento de los COF en 2005 por Yaghi et al. (véase la Figura 1).

La actividad de publicación se mantuvo relativamente modesta durante la primera década, lo que refleja la fase exploratoria inicial de este campo. A partir de 2016 aproximadamente, se produjo un aumento brusco y sostenido de artículos de revistas y familias de patentes, una tendencia que señala la transición de la investigación fundamental a estudios más amplios orientados a la aplicación. Este crecimiento refleja el creciente interés científico por los COF y su relevancia cada vez mayor en las innovaciones del mundo real.

Cómo funcionan las estructuras de los COF

La excepcional versatilidad de los COF se atribuye a su síntesis modular, en la que monómeros orgánicos cuidadosamente seleccionados se enlazan de forma sistemática para formar redes cristalinas extendidas. Estos monómeros se combinan en condiciones solvotérmicas o mecanoquímicas para formar enlaces específicos, como imina (C=N), β-cetoenamina, éster borónico, hidrazona, azina y triazina.  

La elección de los monómeros —su geometría, funcionalidad y tipo de enlace— determina directamente si el COF adopta una estructura en capas 2D o un armazón 3D. En los COF 2D, las láminas planas se apilan mediante interacciones π–π, mientras que en los COF 3D, los bloques de construcción tetraédricos o con simetría C₃ dan lugar a redes poliédricas interconectadas. Además, los COF 2D ofrecen una alta conductividad en el plano, mientras que los COF 3D proporcionan mayores áreas superficiales y redes de poros interconectadas.

Aprovechando herramientas como CAS SciFinder® y CAS STNext® junto con los datos contenidos en la CAS Content Collection, identificamos los monómeros más utilizados en las estructuras de los COF (véase la Figura 2a). Estos monómeros incluyen aldehídos como el 1,3,5-triformilfloroglucinol (Tp), el 1,3,5-bencenotricarboxaldehído (TFB), el 2,5-dimetoxi-1,4-bencenodicarboxaldehído (DMTA) y aminas como la p-fenilendiamina (Pa-1 o PDA), el 1,3,5-tris(4-aminofenil)benceno (TAPB) y la 4,4′,4′′-(1,3,5-triazina-2,4,6-triil)tris[bencenamina] (TAPT), cada uno de los cuales ofrece una reactividad, una fuerte conjugación y una influencia estructural distintas, que sustentan las arquitecturas 2D y 3D.  

‍

Por ejemplo, el Tp es valorado por formar enlaces de β-cetoenamina químicamente robustos al reaccionar con aminas aromáticas, lo que da lugar a COF que mantienen su cristalinidad incluso en condiciones ácidas o húmedas. Por tanto, esta estructura de COF es ideal para la catálisis, la detección y el almacenamiento de energía.  

Además, aminas con simetría C₃ más complejas, como la TAPB y la TAPT, introducen sistemas π extendidos y núcleos de triazina deficientes en electrones, respectivamente, lo que mejora la cristalinidad y la resistencia química. La Figura 2b muestra un conjunto de estructuras de COF representativas compuestas por estos monómeros, como TpPa-1, TpTAPT y TAPB-DMTA, ilustrando la diversidad en topología, geometría de poros y dimensionalidad. Estos ejemplos demuestran cómo las variaciones en la geometría del monómero (p. ej., lineal frente a trigonal) y el tipo de enlace influyen directamente en las propiedades del material, como la porosidad, la cristalinidad y la robustez química.

También analizamos los 10 COF utilizados con mayor frecuencia en la base de datos de CAS (véase la Figura 3), lo que reveló que el TpPa-1 es el armazón predominante, seguido del TAPB-DMTA y el TFB-PDA. El TpPa-1 forma una arquitectura en capas 2D con enlaces de β-cetoenamina, lo que le confiere una estabilidad excepcional en condiciones químicas y térmicas adversas.  

Por el contrario, el TAPB-DMTA y el TFB-PDA incorporan enlaces de imina que facilitan una alta cristalinidad, una estabilidad hidrolítica superior y estructuras de poros bien definidas, lo que los hace especialmente adecuados para aplicaciones que requieren una organización molecular precisa. Cabe destacar que los diez COF presentados en la Figura 3 presentan enlaces de imina o de β-cetoenamina, lo que refleja el uso generalizado de estos enlaces en el diseño de COF. Estos enlaces ofrecen una combinación única de accesibilidad sintética, versatilidad estructural y robustez química. Su capacidad para formar armazones estables y cristalinos con propiedades ajustables los convierte en la opción preferida para numerosas investigaciones y aplicaciones de COF.

Aplicaciones de los COF en energía, remediación ambiental y biotecnología

Los COF están ganando protagonismo por su versatilidad en diversos ámbitos científicos y tecnológicos, como la catálisis, la biomedicina, la detección, el almacenamiento de energía y gases, y la electrónica (véase la Figura 4A). La distribución de las publicaciones pertinentes muestra que la catálisis encabeza la lista, seguida del almacenamiento de energía y las aplicaciones biomédicas. Los COF también se emplean ampliamente en la remediación ambiental debido a su naturaleza no tóxica, su biocompatibilidad y sus tamaños de poro ajustables, adaptados a contaminantes específicos.

La Figura 4B se centra en algunas de las aplicaciones más prometedoras de los COF en estos ámbitos. Por ejemplo, las unidades fotoactivas (p. ej., triazina, porfirina, benzotiadiazol) y la π-conjugación extendida en los COF permiten la absorción de luz visible, la separación de cargas y el transporte. Esto los hace adecuados para aplicaciones fotocatalíticas y electrónicas, como semiconductores y dispositivos optoelectrónicos, incluidos diodos emisores de luz (LED), transistores de efecto de campo (FET) y fotodetectores.  

En el sector del almacenamiento de energía, los COF se utilizan principalmente en baterías, en gran medida como materiales de electrodos, debido a sus canales porosos ordenados para una rápida difusión iónica (p. ej., Li⁺ o Na⁺) y a sus sitios redox activos (p. ej., carbonilos, iminas, unidades azo) para el almacenamiento reversible de carga.  

En el campo biomédico, la biocompatibilidad y la modularidad de los COF favorecen la administración de fármacos y usos terapéuticos como la terapia fotodinámica, la terapia fototérmica y la terapia combinada. Su gran área superficial, su porosidad cristalina ordenada y su funcionalidad química ajustable también permiten la purificación y desalinización del agua; la detección selectiva de biomoléculas, gases e iones; y la adsorción y separación eficiente de gases como CO₂, H₂ y CH₄.

Volviendo a los 10 COF citados con mayor frecuencia en la literatura, podemos observar cómo se utilizan en siete ámbitos de aplicación principales (véase la Figura 5). Este análisis revela que casi todos los COF se emplean en catálisis, debido a su gran área superficial, su fácil modificación funcional y su excelente reciclabilidad, lo que los convierte en plataformas ideales para procesos catalíticos eficientes y selectivos.

Además, mientras que el TpPa-1 también se emplea para la remediación ambiental, el TAPB-DMTA se utiliza ampliamente en aplicaciones biomédicas y de sensores. Asimismo, el TpPa-SO3H se utiliza de forma destacada en el ámbito del almacenamiento de energía. Esto pone de relieve cómo la diversidad estructural y química de los COF permite su uso adaptado en muchas tecnologías avanzadas.

Perspectivas futuras de los COF

A pesar de sus prometedoras propiedades, los COF se enfrentan a varios desafíos críticos que han limitado su adopción y comercialización generalizadas. Uno de los principales problemas es la falta de escalabilidad y reproducibilidad en la síntesis. Muchos COF requieren condiciones específicas, como tratamientos solvotérmicos, largos tiempos de reacción o disolventes agresivos, lo que dificulta la producción a gran escala. Además, aunque los COF suelen valorarse por su cristalinidad, lograr una alta cristalinidad y uniformidad estructural sigue siendo un desafío importante, y una mala cristalinidad puede comprometer el rendimiento.  

La limitada conductividad eléctrica de muchos COF también restringe su uso directo en dispositivos electrónicos y energéticos sin una modificación adicional. Su integración en dispositivos prácticos sigue siendo un reto debido a las dificultades para procesarlos en películas delgadas o compuestos y a su susceptibilidad a la degradación en entornos húmedos, ácidos u oxidativos.  

Para abordar estos desafíos, los investigadores están siguiendo varios enfoques estratégicos. Se están desarrollando métodos de síntesis escalables y más ecológicos, como las reacciones mecanoquímicas, asistidas por microondas y a temperatura ambiente, para sustituir los procesos solvotérmicos tradicionales, haciendo que la producción sea más eficiente y respetuosa con el medio ambiente.  

Los avances recientes en la predicción de topologías y el diseño asistido por IA han acelerado significativamente el descubrimiento de nuevas estructuras de COF. El desarrollo de COF híbridos —mediante la incorporación de MOF, polímeros o incluso nanomateriales— también está abriendo capacidades multifuncionales, combinando las ventajas de los COF con las de los materiales tradicionales. Estos avances sugieren que los COF están superando las limitaciones de la síntesis compleja y se están diseñando pensando en aplicaciones específicas.

Gracias a su modularidad, cristalinidad y naturaleza ajustable, los COF poseen un gran potencial para mejorar una amplia gama de campos, desde el almacenamiento de energía y gases hasta la biomedicina. A medida que los avances en metodologías sintéticas, diseño funcional y cribado computacional sigan mejorando, los COF podrán pasar de ser materiales prometedores de laboratorio a convertirse en elementos clave para tecnologías sostenibles y de alto rendimiento.

---

Las abreviaturas utilizadas en este artículo incluyen: PBA, ácido fenilborónico; 4-FPBA, ácido 4-formilfenilborónico; Pa-1 o PDA, p-fenilendiamina; TpPa-1, 1,3,5-triformilfloroglucinol y p-fenilendiamina; TAPB-DMTA, 1,3,5-tris(4-aminofenil)benceno y 2,5-dimetoxi-1,4-bencenodicarboxaldehído; TFB-PDA, 1,3,5-bencenotricarboxaldehído y p-fenilendiamina; TAPB-TPA, 1,3,5-tris(4-aminofenil)benceno y 1,4-bencenodicarboxaldehído; TpBD, 1,3,5-triformilfloroglucinol y 4,4′-diaminodifenilo; TFB-TAPB, 1,3,5-bencenotricarboxaldehído y 1,3,5-tris(4-aminofenil)benceno; TAPB-DHTA, 1,3,5-tris(4-aminofenil)benceno y 2,5-dihidroxi-1,4-bencenodicarboxaldehído; TpPA-SO3H, 1,3,5-triformilfloroglucinol y ácido 2,5-diaminobencenosulfónico; TpTAPT, 1,3,5-triformilfloroglucinol y 4,4′,4′′-(1,3,5-triazina-2,4,6-triil)tris[bencenamina]; TAPB-DVA, 1,3,5-tris(4-aminofenil)benceno y 2,5-dietenil-1,4-bencenodicarboxaldehído; TFB, 1,3,5-bencenotricarboxaldehído; Tp, 1,3,5-triformilfloroglucinol; TAPB, 1,3,5-tris(4-aminofenil)benceno; TpPa-1, 1,3,5-triformilfloroglucinol y p-fenilendiamina; TAPB-DMTA, 1,3,5-tris(4-aminofenil)benceno y 2,5-dimetoxi-1,4-bencenodicarboxaldehído; TpTAPT, 1,3,5-triformilfloroglucinol y 4,4′,4′′-(1,3,5-triazina-2,4,6-triil)tris[bencenamina]; TAPT, 4,4′,4′′-(1,3,5-triazina-2,4,6-triil)tris[bencenamina]; BDBA, ácido benceno-1,4-diborónico; DHTA, 2,5-dihidroxi-1,4-bencenodicarboxaldehído; DMTA, 2,5-dimetoxi-1,4-bencenodicarboxaldehído; DVA, 2,5-dietenil-1,4-bencenodicarboxaldehído; TPA, 1,4-bencenodicarboxaldehído; Pa-SO3H, ácido 2,5-diaminobencenosulfónico; BD, 4,4′-diaminodifenilo