Diseño, Preparación y Evaluación de Nuevas Mezclas Eutécticas y Acuosas Para la Síntesis de Materiales Mediante Procesos de Química Verde

Diseño, Preparación y Evaluación de Nuevas Mezclas

Eutécticas y Acuosas Para la Síntesis de Materiales

Mediante Procesos de Química Verde

Autora

Sara García Argüelles

Directores

Dr. Francisco del Monte

Dra. María Concepción Gutiérrez

Tutora

Dra. Isabel Sierra

Programa de Doctorado en Tecnologías Industriales: Química, Ambiental, Energética, Electrónica, Mecánica, y de los Materiales

A Érika,

Las personas grandes aman las cifras. Si les decís: “La prueba de que el principito existió es que era encantador, que reía y que quería un cordero. Querer un cordero es prueba de que se existe” se encogerán de hombros y os tratarán como se trata a un niño. Pero si les decís: “El planeta de donde venía es el asteroide B-612”, entonces quedaran convencidos y os dejarán tranquilos sin preguntaros más. Son así. Y no hay que reprocharles. Los niños deben ser muy indulgentes con las personas grandes.

Diseño, Preparación y Evaluación de Nuevas Mezclas

Eutécticas y Acuosas Para la Síntesis de Materiales

Mediante Procesos de Química Verde

Autora

Sara García Argüelles

Directores

Dr. Francisco del Monte

Dra. María Concepción Gutiérrez

Tutora

Dra. Isabel Sierra

Programa de Doctorado en Tecnologías Industriales: Química, Ambiental, Energética, Electrónica, Mecánica, y de los Materiales

ÍNDICE

AGRADECIMIENTOS

i

RESUMEN

iii

PLANTEAMIENTO DE LA MEMORIA

v

ABREVIATURAS y TÉCNICAS ANALÍTICAS

vii

1. INTRODUCCIÓN 1

1.1 SÍNTESIS DE MATERIALES EN EL CONTEXTO DE LA QUÍMICA VERDE

3

1.1.1 LA QUÍMICA VERDE 3

1.1.2 LA QUÍMICA AMBIENTAL Y OTRAS DISCIPLINAS AMBIENTALES 6

1.2 NUEVAS MEZCLAS SOSTENIBLES COMO DISOLVENTES, PRECURSORES Y/O CATALIZADORES EN SÍNTESIS ORGÁNICA Y DE MATERIALES

6

1.2.1 LÍQUIDOS IÓNICOS (ILs) 8

1.2.2 MEZCLAS EUTÉCTICAS (DESs) 12

1.2.2.1 Propiedades de los DESs 17

1.2.2.1.1 Comportamiento de Fase 18

1.2.2.1.2 Densidad 20

1.2.2.1.3 Viscosidad 21

1.2.2.1.4 Polaridad 23

1.2.2.1.5 Conductividad Iónica 25

1.2.2.1.6 Acidez o Alcalinidad 25

1.2.2.2 Aplicaciones de los DESs 25

1.2.2.2.1 DESs como Disolventes 27

1-A)Los DESs como disolventes en síntesis orgánica 28

1-A.1) DESs como disolventes en reacciones de oxidación 29

1-A.2) DESs como disolventes en reacciones de reducción 29

1-A.3) DESs como disolventes en reacciones de condensación 30

1-A.4) DESs como disolventes en reacciones multicomponente (MCRs) 32

1-A.5) DESs como disolventes en biotransformaciones 32

1-B) Los DESs como disolventes y catalizadores en síntesis orgánica 33

1-B.3)DESs como disolventes y catalizadores en reacciones multicomponente (MCRs) 35

1-B.4)DESs como disolventes y catalizadores en formación de enlaces C-C 36

1.2.2.2.2 DESs como materiales funcionales en procesos de extracción y en aplicaciones

energéticas o ambientales 36

2-A) DESs como materiales para la separación y extracción de compuestos

en mezclas complejas 36

2-A.1) DESs como materiales para la extracción y separación de biodiesel 36

2-A.2) DESs como materiales para la extracción y separación de hidrocarburos

aromáticos 37

2-A.3) DESs como materiales para la extracción de compuestos bioactivos 38

2-B) DESs como materiales para la absorción de CO2 39

2-C) DESs en procesos de electrodeposición y como electrolitos en sistemas

de almacenamiento y conversión de energía 41

1.2.2.2.3 Los DESs como sistemas multicomponente en la síntesis de materiales 42

3-A) DESs para la síntesis de nanopartículas 44

3-B) DESs para la síntesis de MOFs y Zeolitas 45

3-C) DESs para la síntesis de carbones 46

3-D) DESs para la síntesis de polímeros con aplicaciones farmacéuticas o biomédicas

48

1.3 METODOLOGÍA ISISA: EL HIELO COMO AGENTE DIRECTOR DE ESTRUCTURA EN LA SÍNTESIS DE MATERIALES

51

1.3.1 CONTROL DE LA MORFOLOGÍA EN PROCESOS ISISA 53

1.3.1.1 Influencia de la Concentración y la Naturaleza de los Materiales 56

1.3.1.2 Influencia de la Velocidad de Inmersión 57

1.3.1.3 Influencia de la Temperatura de Congelación 58

BIBLIOGRAFÍA 61

2. OBJETIVOS Y METODOLOGÍA 73

2.1 OBJETIVOS 75

3. DESs COMO CATALIZADORES BIFUNCIONALES EN SÍNTESIS

ORGÁNICA EN AUSENCIA DE DISOLVENTE 81

3.1INTRODUCCIÓN 83

3.1.1 CATALIZADORES 83

3.1.2 LOS DESs COMO CATALIZADORES 83

BIBLIOGRAFÍA 85

3.2 ARTÍCULO 1 87

3.3 ARTÍCULO 2 113

4. USO DE NUEVAS MEZCLAS EUTÉCTICAS “TODO EN UNO”

COMO PRECURSORES EN LA SÍNTESIS DE POLIÉSTERES. 159

4.1 INTRODUCCIÓN 161

4.1.1 PRECURSORES POLIMÉRICOS 161

4.1.2 ELASTÓMERO POLI (1,8-OCTANODIOL-CO-CITRATO). 161

4.1.3 DESs “TODO EN UNO” PARA LA SÍNTESIS DE ELASTÓMEROS 162

BIBLIOGRAFÍA 164

4.2 ARTÍCULO 3 165

5. METODOLOGÍA ISISA: EL HIELO COMO AGENTE DIRECTOR

DE ESTRUCTURA EN LA SÍNTESIS DE MATERIALES BIOCOMPATIBLES

183

5.1 INTRODUCCIÓN 185

5.1.1 AGENTE DIRECTOR DE ESTRUCTURA 185

5.1.2 METODOLOGÍA ISISA PARA LA SÍNTESIS DE BIOMATERIALES 185

BIBLIOGRAFÍA 187

5.2 ARTÍCULO 4 189

5.3 ARTÍCULO 5 215

6. CONCLUSIONES 237

6.2.1 CONCLUSIONES RELATIVAS AL OBJETIVO 1 239

6.2.1.1 Conclusiones relativas al Artículo 1 239

6.2.1.2 Conclusiones relativas al Artículo 2 240

6.2.2 CONCLUSIONES RELATIVAS AL OBJETIVO 2 241

6.2.2.1 Conclusiones relativas al Artículo 3 241

6.2.3 CONCLUSIONES RELATIVAS AL OBJETIVO 3 242

6.2.3.1 Conclusiones relativas al Artículo 4 242

6.2.3.2 Conclusiones relativas al Artículo 5 243

En primer lugar quiero agradecer a los doctores Francisco del Monte, Concepción Gutiérrez y María Luisa Ferrer la posibilidad inicial de realizar una tesis doctoral en su grupo de investigación del ICMM y bajo su tutela y consejos, pues este trabajo no comenzó con el trabajo experimental, sino, como todos los proyectos que suceden a lo largo de nuestras vidas comenzó con un SI. Un sí propio y un sí ajeno (o como dice Gregorio Apesteguía “Me clavaste un sí en el pecho, y hasta las alcantarillas del Universo cantaron durante toda la noche”).

Quiero agradecer especialmente a mis directores de tesis, Conchi Gutiérrez y Paco del Monte por tener siempre la puerta del despacho abierta. Gracias por vuestras respuestas, vuestro conocimiento y vuestro tiempo.

He de mencionar especialmente y con mucho cariño a la Dra. Conchi Gutiérrez, por el tiempo dedicado a enseñarme y a corregirme numerosas cuestiones a lo largo de este periodo doctoral. También por acogerme en su despacho y por acordarse siempre de los cumpleaños y de los pequeños detalles.

Quiero agradecer también a mi tutora, la Dra. Isabel Sierra de la URJC, directora de mi proyecto fin de máster que tan generosamente aceptó la tutoría de esta tesis. Gracias por tu tiempo y tú ayuda. Guardo, además, muy buenos recuerdos del periodo que pasé en tu departamento.

Quiero agradecer también de manera especial a la Dra. Conchi Serrano el tiempo que compartí con ella al principio de esta tesis, su ayuda y sus consejos y el placer de haberla conocido. Gracias.

No podría menos que agradecer también al personal del SIdI de la Autónoma, María José, Josué, Antonio y Loli por vuestra disposición a ayudarnos y por el tiempo que hemos podido pasar juntos, que sin duda ha sido muy agradable.

No quiero que se me olviden la Dra. Paula Bosch del ICTP y el Dr. Ricardo Jiménez del ICMM por el tiempo que pasé trabajando con cada uno de ellos, que fue un autentico placer, que espero se repita en un futuro.

Por último quiero agradecer a mis compañeros de doctorado el tiempo que hemos pasado juntos, especialmente a las Doctoras Stefania Nardecchia y Conchi Serrano, cuyo recuerdo siempre me infunde cariño y al Dr. Julian Patiño y al licenciado José Luis Balsalobre, con los que sigo compartiendo ratos divertidos.

Es fundamental mencionar también a todos los amigos que me han apoyado incondicionalmente en este proceso a veces largo y desesperante que es la creación y desarrollo de una tesis doctoral. a Gema, Fina, Cris, Ana, Pedro, Jorge, Isa, Cova, Lara, Marina, Elena, Pablo, Isra, Alex, Vane, Carmen, David y a Javi Barrios.

En el plano familiar, quizá es donde más apoyos he recibido durante este periodo y quienes también más me han sufrido. Gracias Mamá (Carmen Argüelles) y Papa (Francisco García) por todo lo que habéis aportado a mi vida, sin duda las mejores lecciones, el más grande amor incondicional y las mejores virtudes que pueda tener viene directamente de vosotros. He tenido suerte al ser hija vuestra. Os quiero mucho. GRACIAS.

Gracias también a mi “Güelita Ción”, a mis tíos Antolín y Helena, a mis primos Álvaro y Raúl, a mis tías abuelas Mari, Tere y Julita, y a mi tío Chuli, que se fue de vacaciones hace poco.

Es imposible olvidar a mi Maestro, Eric Rolf. Me hubiera gustado que estuvieras entre nosotros para enseñarte está tesis y que dejaras por fin de meterte conmigo. Te fuiste de viaje antes de lo esperado, pero una parte de ti siempre estará con nosotros. Gracias.

En penúltimo lugar no quiero olvidarme de todos aquellos científicos que de alguna manera u otra se acostumbraron al fracaso o transitaron por él, porque como dice el ingeniero y escritor español Josep Lapidario “Al recordarlos hacemos nuestra la belleza sorda del error y del fracaso. Es fácil burlarse del que se equivoca, pero no es sencillo acceder a sus intuiciones luminosas. Andamos sobrados de triunfadores, pero nos faltan visionarios”.

Y por último y de manera muy especial a mi compañero, amigo y padre de mi hija, Miguel Formoso. Sin ti no podría haberlo hecho. Sin tu apoyo y confianza incondicionales y a todos los niveles, esto no hubiera sido posible. Gracias.

En cualquier proceso sintético enfocado a la obtención de materiales es preciso controlar tres parámetros fundamentales, que determinarán el éxito de dicha síntesis en términos de rendimiento, selectividad, morfología y/o funcionalidad. Estos tres parámetros son:

(1) precursores, (2) catalizadores y (3) agentes directores de estructura de los materiales. En los trabajos recogidos en esta memoria se estudia el papel de las mezclas eutécticas o

DESs (de sus siglas en inglés, Deep Eutectic Solvents) como (1) precursores y (2)

catalizadores en los procesos sintéticos en los que participan. Por otro lado, se profundiza en el diseño y evaluación de nuevas mezclas acuosas que, mediante el uso de la metodología ISISA (de sus siglas en inglés, Ice Segregation Induced Self-Assembly), donde el hielo actúa como (3) agente director de estructura, permiten la preparación de materiales biocompatibles y de naturaleza híbrida para fines biomédicos. El marco de referencia donde se sitúan estos trabajos es la Química Verde.

estructura jerárquica, o para la síntesis de polímeros de naturaleza acrílica o elastomérica con actividad farmacológica o médica. Por último, es necesario mencionar el papel “verde” o sostenible ligado a los DESs (más relevante que en los ILs), bien por la naturaleza de sus componentes (en general, compuestos no tóxicos y, además, en muchos casos abundantemente presentes en la naturaleza), bien mediante el uso de los propios DESs como materiales funcionales para la eliminación de contaminantes en distintas matrices ambientales, o bien por el papel que juegan en los procesos sintéticos en que participan, al facilitar el cumplimiento de los principios de la química verde.

En los trabajos experimentales realizados durante esta tesis basados en el uso de DESs se realiza el diseño y la evaluación de nuevas mezclas eutécticas para su aplicación como, por un lado, (1) catalizadores bifuncionales, en ausencia de disolventes, en la síntesis de un polímero biodegradable, así como para la formación de carbonatos; y, por otro lado, como sistemas “todo en uno” que actúan simultáneamente como (2)

precursores de polímero y suministradores de moléculas farmacológicamente activas, además de como medio de reacción de la policondensación.

Por otra parte, se ha descrito el proceso de Autoensamblado Inducido por Segregación de Hielo o metodología ISISA como un proceso bottom-up criogénico, sencillo y versátil, adecuado para la preparación de estructuras tridimensionales macroporosas de una gran variedad de materiales de distinta naturaleza a partir de hidrogeles, disoluciones o dispersiones acuosas. Así, en los trabajos experimentales realizados durante esta tesis se realiza el diseño, la preparación y la evaluación de una serie de soluciones o suspensiones acuosas con sustratos de naturaleza diversa, (orgánicos e inorgánicos), para la preparación de nuevos composites/scaffolds biocompatibles, utilizando el hielo (la metodología ISISA) como (3) agente director de estructura y permitiendo también el cumplimiento de los principios de la química verde.

Esta memoria se ha realizado como un compendio de publicaciones partiendo de la perspectiva de que en cualquier proceso sintético, enfocado a la obtención de materiales, es preciso realizar el control de (1) los precursores del material, (2) los catalizadores del proceso y (3) los agentes directores de estructura.

En la introducción, recogida en el capítulo 1, se contextualiza el trabajo desarrollado. En este primer capítulo se describen varios ejemplos clave donde componentes como las mezclas eutécticas (DESs) y metodologías como ISISA (acrónimo del inglés Ice Segregation Induced Self-Assembly) ejercen estos roles, todo ello dentro de un contexto más amplio como es el de la Química Verde y los procesos de descontaminación. Así, en primer lugar se profundiza en el prometedor papel que pueden desarrollar estas mezclas eutécticas en el panorama científico actual debido a su versatilidad y multifuncionalidad. Estos ejemplos van a aportar un marco de referencia que permita entender el papel de los DESs en los trabajos experimentales que conforman esta tesis, y que se engloban dentro de las áreas de química, ciencia de materiales y aplicaciones farmacológicas o médicas, por ejemplo, como catalizadores en la síntesis de poliésteres o materiales similares en ausencia de disolvente, o para la síntesis de elastómeros, donde los DESs son precursores de polímeros, pero además juegan un papel múltiple. Por otro lado, en este capítulo se define también la técnica ISISA, donde el hielo actúa como agente director de estructura en la síntesis de materiales tridimensionales (3D), ya que varios trabajos de esta tesis van a profundizar en el diseño y evaluación de nuevas soluciones o suspensiones acuosas (homogéneas y de naturaleza diversa) que, mediante el uso de esta metodología, permiten la preparación de materiales 3D compuestos principalmente por polímeros biocompatibles para aplicaciones biomédicas.

sistemas catalizadores bifuncionales tanto en la síntesis de poliésteres como en la síntesis de carbonatos cíclicos, siempre en ausencia de disolventes y en condiciones suaves”.

En el capítulo 4 se incluye la contextualización y el artículo relativo al objetivo 2: “Diseño, preparación y evaluación de nuevas mezclas eutécticas como sistemas multicomponente o “todo en uno en la síntesis de elastómeros de tipo poliéster con propiedades bactericidas para fines biomédicos.”.

En el capítulo 5 se incluye una breve contextualización y los dos artículos relativos al objetivo 3 “Diseño, preparación y evaluación de mezclas acuosas (soluciones o suspensiones homogéneas de diversa naturaleza) que, mediante el uso del hielo como agente director de estructura (metodología ISISA), conducen a la obtención de scaffolds

biocompatibles y de naturaleza híbrida para fines biomédicos”.

ACP Fosfato de calcio amorfo (Amorphous calcium phosphate)

APIs Ingredientes farmaceúticos activos

BA Alcohol bencílico

BF4- Ión Tetrafluoroborato

Cat+ _Catión

CNTs Nanotubos de carbono (carbon nanotubes)

DBU 2,3,4,6,7,8,9,10-octahidropirimido[1,2-a]azepina

DES Mezclas Eutécticas

DMSO Dimetil sulfóxido

E. Coli Escherichia Coli

EG Etilenglicol

Hap Hidroxiapatita

HBA Aceptor de protones

HBD Dador de protones

IL Líquido Iónico

ISISA Proceso de Autoensamblado Inducido por Segregación de Hielo.

LTTMs Mezclas de baja temperatura de transición

Mc Grado de entrecruzamiento

MClx Cloruros metálicos

MDEA Metildietanolamina

MeSOH Ácido Metanosulfónico

MIC Concentración Mínima Inhibitoria

Mn Peso molecular promedio en número

MOFs Estructuras metalo-orgánicas, (Metal-Organic Frameworks)

MWCNTs Nanotubos de pared múltiple(Multi-Walled Carbon Nabotubes)

NADES Mezclas Eutécticas formadas por compuestos naturales

NPs Nanopartículas

PCL Policaprolactona

PF Polimerización Frontal

PF6- Ión Hexafluorofosfato

POC Poli(1,8-octanodiol-co-citrato)

POC-C Poli(1,8-octanodiol-co-citrato) con cloruro de colina incorporada

POC-H Poli(1,8-octanodiol-co-citrato) con bromuro de

hexadeciltrimetilamonio incorporado

POC-M Poli(1,8-octanodiol-co-citrato) con bromuro de metiltrifenilfosfonio

incorporado

POC-T Poli(1,8-octanodiol-co-citrato) con bromuro de tetraetilamonio

incorporado

ROP Polimerización por apertura de anillo

RTIL Líquido Iónico a temperatura ambiente

SDA Agentes Directores de Estructura (structure directing agent)

ABREVIATURAS

X- Base de Lewis, generalmente haluro

Y Ácido de Lewis o Brönsted

ZnCl2 Cloruro de zinc

TÉCNICAS PARA LA CARACTERIZACIÓN DE

MATERIALES

13_{C RMN Resonancia magnética nuclear de carbones}

1_{H RMN Resonancia magnética nuclear de protones}

CLSM Microscopio confocal láser de barrido

DSC Calorimetría diferencial de barrido

FTIR Espectroscopía de infarrojo por transformada de Fourier

GC/Ms Cromatografía de gases acoplada a un espectrómetro de masas

GPC Cromatografía de permeabilidad en gel

SEM Microscopio electrónico de barrido

TGA Análisis Termogravimétrico, Thermogavimetric analysis

1.1

SÍNTESIS DE MATERIALES EN EL CONTEXTO DE LA

QUÍMICA VERDE

En cualquier proceso sintético enfocado a la obtención de materiales es preciso controlar tres parámetros fundamentales, que determinarán el éxito de dicha síntesis en términos de rendimiento, selectividad, morfología y/o funcionalidad.

Estos tres parámetros son: 1) Los precursores 2) Los catalizadores

3) Los agentes directores de estructura

Esta Tesis Doctoral se plantea desde esta perspectiva. Así, por un lado se van a estudiar y evaluar nuevas mezclas sostenibles que pueden actuar como de disolventes, precursores y/o catalizadores en la síntesis de los materiales que se describen. Y por otro lado, se van a diseñar y evaluar diferentes soluciones o suspensiones acuosas que, mediante el uso de la metodología ISISA (en la que el hielo actúa como agente director de estructura) permitan la preparación de soportes biocompatibles para aplicaciones biomédicas. Todo ello en el contexto de la Química Verde.

1.1.1 LA QUÍMICA VERDE

La Química Verde (Green Chemistry) es una herramienta de gran importancia para el desarrollo sostenible de la industria química, petrolífera y farmacéutica en el siglo XXI, siendo su objetivo fundamental prevenir o reducir el estrés ambiental causado por los procesos tecnológicos, permitiendo simultáneamente una mejora de los rendimientos de producción1.

diseño y aplicación de productos y procesos químicos que reduzcan o eliminen el uso y generación de sustancias peligrosas”. La Química Verde, por tanto, no está enfocada en la eliminación de la contaminación una vez producida, sino que ataca el problema de raíz: diseñando procesos químicos que no produzcan residuos o los reduzcan al máximo. Además, tal y como sugiere el concepto de sostenibilidad, la intención es lograr la evolución de las políticas medioambientales hacia un planteamiento basado en la integración de soluciones durante todo el proceso productivo en lugar de abordar dichas soluciones únicamente al final del proceso, que era como se abordaba de manera tradicional.

Los 12 Principios de la Química Verde

1- Prevención: Prevenir la creación de residuos mejor que tener que realizar un tratamiento o limpieza posteriores.

2- Maximizar la Economía de Átomos y Moléculas: Diseñar métodos sintéticos para maximizar la incorporación de los compuestos de partida en los productos finales.

3- Diseñar Síntesis Químicas Menos Peligrosas: Diseño de métodos sintéticos biocompatibles y/o sostenibles con el medio ambiente.

4- Diseñar Compuestos Seguros: Diseñar productos químicos que realicen la función necesaria, pero con la menor toxicidad posible.

5- Usar Disolventes y Compuestos Auxiliares Seguros: Minimizar el uso de este tipo de sustancias y hacerlos inocuos una vez usados.

6- Incrementar la Eficiencia Energética: Minimizar los requerimientos energéticos de los procesos químicos, (reacciones a temperatura y presión ambientes).

7- Usar Materias Primas Renovables.

8- Evitar Derivados Químicos o Minimizar su Uso.

9- Fomentar la Catálisis: El uso de catalizadores es mejor que el uso de reactivos estequiométricos.

10-Diseñar Productos Biodegradables: Diseño de productos cuya degradación conduzca a productos inocuos que no permanezcan en el medio ambiente.

11-Analizar en Tiempo Real los Procesos Químicos para Evitar la Contaminación. 12-Desarrollar una Química más Segura y Minimizar los Riesgos de Accidentes:

Elegir las sustancias y la forma en que se presentan dichas sustancias para minimizar los posibles accidentes, escapes, explosiones, y fuegos.

1.1.2 LA QUÍMICA AMBIENTAL Y OTRAS DISCIPLINAS AMBIENTALES.

Una vez que se ha definido la Química Verde, se hace necesario distinguirla de la Química Ambiental, que es una disciplina que se dedica al estudio de los procesos químicos que ocurren en el agua, el aire, los ambientes terrestres y vivos, y los efectos de la actividad humana en ellos. Es decir, la Química Ambiental estudia el comportamiento de los compuestos químicos (naturales o sintéticos) en el medio ambiente incluyendo otras disciplinas como la astroquímica, la química atmosférica, el modelado ambiental, la geoquímica, la química marina y la remediación de la contaminación5.

La diferencia fundamental entre la Química Verde con respecto a otras disciplinas ambientales como la Remediación de la Contaminación reside en que la primera tiene un carácter preventivo, evitando o minimizando, en la medida de lo posible, el impacto de cualquier proceso industrial o sintético y la generación de productos peligrosos antes de que la contaminación se produzca, mientras que la segundase ocupa de eliminar la contaminación existente (incluyendo sustancias químicas y/o energía) en aire, suelo y agua una vez ya se ha producido. Si bien el enfoque propuesto por la Química Verde es fundamental para que la contaminación resultante de dichos procesos industriales sea mínima, reduciendo así, en todo el planeta, el uso de la Remediación en un futuro, es indudable también que en la actualidad (debido a la amplia contaminación existente) sigue siendo necesario plantear procesos de descontaminación química o remediación de las principales matrices ambientales (suelos, sedimentos, aguas, atmósfera, etc.)

1.2

NUEVAS MEZCLAS SOSTENIBLES COMO DISOLVENTES,

PRECURSORES

Y/O

CATALIZADORES

EN

SÍNTESIS

reacción es uno de los principales papeles que desempeñan estos disolventes, siendo precisa una adecuada selección de los mismos para lograr tal fin.

Desde el punto de vista de la sostenibilidad, la búsqueda de disolventes alternativos a los tradicionales disolventes orgánicos, sustituyéndolos por otros no inflamables, no volátiles, no tóxicos y más baratos e, incluso, el diseño de estrategias sintéticas que reduzcan o no requieran del uso de disolventes son objetivos primordiales tanto a nivel de investigación fundamental como a nivel industrial.

En este sentido, tanto los líquidos iónicos (“Ionic liquids”, ILs, definidos como sales fundidas cuyo punto de fusión es inferior a 100 ºC) como las mezclas eutécticas (DESs, descritas como mezclas líquidas compuestas por dos o tres componentes que son capaces de auto-asociarse mediante la formación de puentes de H, dando lugar un fluido con un punto de fusión más bajo que el de sus componentes individuales) están adquiriendo especial relevancia como sustitutos de los disolventes orgánicos tradicionales. No obstante, en los últimos años el papel de los ILs y los DESs ha evolucionado dando lugar a mezclas que pueden representar roles distintos al de disolvente, como por ejemplo, catalizadores, o bien pueden desempeñar varios roles a la vez, por ejemplo, como sistemas multicomponente o “todo en uno”, donde el DES actúa de manera simultánea, además de como disolvente, como precursor (reactivo) o como molde o agente director de estructura, entre otros. En las escasas investigaciones realizadas hasta el momento donde se compara el carácter verde de las síntesis tradicionales y aquellas asistidas por DESs, se ha comprobado que las síntesis asistidas por DESs permiten o facilitan el cumplimiento de un mayor número de principios de la química verde6. El reto en esta área recae, por tanto, en el desarrollo de procesos sintéticos asistidos por DESs (en su papel de disolvente, precursor, sistema multicomponente, u otros) que incorporen en la mayor medida posible los principios de la química verde descritos por Anastas y Warmer.

los componentes de los DESs suelen ser compuestos baratos, no tóxicos y, en ocasiones, biodegradables e incluso, compuestos de origen natural, como ocurre en el caso de los llamados NADES, (de sus siglas en inglés “Natural Deep Eutectic Solvents”). Estas mezclas eutécticas están formadas por metabolitos naturales primarios tales como azúcares, ácidos orgánicos, aminoácidos y aminas, entre otros. Fueron descritas por primera vez por Choi et al. en el año 20117, mostrando, además, fuertes evidencias de la formación espontánea de NADESs en organismos vivos. Este hecho sugiere que el agua y los lípidos no son los únicos disolventes presentes en los organismos vivos, sino que es muy posible que estos NADESs jueguen un papel importante en todos aquellos procesos celulares que de otra manera serían muy difíciles de entender, como la biosíntesis de moléculas o macromoléculas no solubles en agua.

Los DESs, por lo tanto, presentan un enorme campo de potenciales aplicaciones dentro del contexto de la Química Verde.Además, en el campo de la Química Ambiental, las mezclas verdes o sostenibles como los ILs y los DESs comienzan a explorarse cómo medios específicos para la extracción y separación de compuestos contaminantes tanto en medios acuosos como gaseosos.

1.2.1 LÍQUIDOS IÓNICOS (ILs).

Como ya se ha indicado, los ILs (Ionic Liquids) se definen como sales fundidas cuyo punto de fusión es inferior a 100ºC. Más concretamente, como sales orgánicas compuestas por cationes orgánicos y aniones orgánicos o inorgánicos (por ejemplo, NO3-y BF4-), que se encuentran en estado líquido por debajo del punto de ebullición del

agua 8.

número de distintos ILs, cada uno de ellos con sus propias propiedades. Esto hace que los ILs sean tremendamente versátiles en múltiples aplicaciones10,11.En la figura 1.2 se muestra un ejemplo de los cationes y aniones más utilizados en la formación de ILs.

Aunque en los últimos 20 años, los ILs, y sobre todo los RTILs han atraído una considerable atención en diversos campos12, como la catálisis13,14, la electroquímica15,16, la química de materiales17 , 18, y, más recientemente, para el pre-tratamiento de biomasa19,20, la historia de estos compuestos se remonta a comienzos del siglo pasado, mostrándose a continuación los hitos en la historia del desarrollo de los ILs1,9.

1914- Síntesis de Nitrato de Etilamina, en una reacción que incluía ácido nítrico. El punto de fusión de la mezcla realizada por Paul Walden21 fue de 14 ºC.

1934- Síntesis de una sal fundida basada en una piridina capaz de disolver determinadas cantidades de celulosa.

1951- F. Hurley y T. Weir obtuvieron un líquido iónico de bromuro de N-etilpiridinio y cloruro de aluminio.

1960-1992- En este periodo J.S. Wilkes desarrolla la Primera Generación de Líquidos Iónicos.

1970s- R.A. Osteryoung, Ch. L. Hussey y J.S. Wilkes investigan el uso de cloruro de aluminio líquido como electrolitos en baterías.

Figura 1.2: Componentes más comunes de los líquidos iónicos.

La primera generación de ILs describe aquellas mezclas que presentaban propiedades físicas modulables como su volatilidad, estabilidad térmica, densidad o viscosidad (Figura 1.3). Los cationes más utilizados fueron N,N'-dialquilimidazolio y cationes similares. Variando la estructura del catión se observaba una variación en las propiedades de los ILs resultantes. Los aniones utilizados fueron cloroaluminatos u otros aniones de haluros metálicos22. Estos compuestos eran sensibles al agua y el aire, por lo que el uso de estos ILs fue limitado.

reportado su uso como disolventes de catálisis enzimática23-32. Sin embargo, la principal limitación que presentan estos ILs para su uso a escala comercial es su elevado coste. En la Figura 1.2 se encuentran varios de los componentes que forman los ILs de esta segunda generación como los aniones BF4- o PF6- , y que hoy en día siguen siendo los

componentes más utilizados para formar ILs.

La tercera generación corresponde a los ILs más recientes que presentan, además de propiedades fisicoquímicas seleccionadas, propiedades biológicas específicas como: actividad bactericida o fungicida, o una actividad anestésica local (Figura 1.3). Así, esta nueva generación incluye ILs utilizados para propósitos médicos o farmacéuticos, como producción de medicamentos o liberación de fármacos. Esta tercera generación da lugar a mezclas más hidrófilas que la segunda generación y suelen ser miscibles con agua. Además, se forman a partir de cationes y aniones biodegradables, ampliamente disponibles y con baja toxicidad. Sus propiedades físicas y químicas están determinadas por la combinación de los distintos cationes y aniones en proporciones determinadas33. Un catión de uso generalizado en esta tercera generación es el catión colina (Figura 1.2) que, combinado con el anión de un azúcar, un aminoácido, un alquilsulfato o un alquilfostato puede formar un líquido iónico.

PROPIEDADES FÍSICAS: • Hidrofobicidad •Viscosidad •Densidad •Estabilidad Termal •Conductividad •Punto de fusión

PROPIEDADES QUÍMICAS: • Reactividad química

•Elevada densidad

energética •Solvatación •Balance oxígeno •Inducción quiral

PROPIEDADES BIOLÓGICAS: CATIONES • Bactericida •Fungicida ANIONES •Vitaminas •Antibióticos GENERACIÓN 1:

Diseñando propiedades físicas

GENERACIÓN 2 :

Diseñando propiedades físicas y químicas

GENERACIÓN 3 :

Diseñando propiedades físicas y químicas e incorporando aplicaciones farmacológicas y biológicas

Figura 1.3: Evolución de los ILs en función de sus propiedades físicas, químicas y biológicas. Adaptada de la referencia 1.

1.2.2 MEZCLAS EUTÉCTICAS (DESs)

En el año 2001, Abbott y colaboradores34-36 estudiaron la formación de una serie de líquidos a temperatura ambiente preparados a partir de ZnCl2 con distintas sales de

amonio cuaternario, que tras ser simplemente mezcladas y calentadas presentaban puntos de fusión entre 23 y 25ºC.

1.4), que presenta un punto de fusión de 12ºC mientras que los puntos de fusión de sus componentes por separado son 133ºC, en el caso de la urea, y 302ºC, en el caso del cloruro de colina. Esta mezcla, integrada por compuestos sostenibles y biodegradables, destaca por sus interesantes propiedades como disolvente.

O

NH2 N

H2

C H3

CH3

CH3

N+

OH

Cl

-mp: 133ºC mp: 302ºC

mp: 12ºC

DES

UREA : CLORURO

COLINA

2:1

Figura 1.4: DES Colina Cl:Urea 1:2

A partir de estos estudios iniciales, Abbott y colaboradores diseñaron un amplio rango de líquidos formados por mezclas de sales de amonio cuaternario y diferentes dadores de hidrógeno. Así, en el año 2004, el mismo grupo38 publicó la formación de nuevos DESs a partir de cloruro de colina y distintos ácidos carboxílicos indicando que estas mezclas podrían sustituir a los ILs tradicionales como disolventes.

Actualmente, debido a las analogías existentes en propiedades y características de ILs y DESs, la clasificación de los DESs como una clase especial de nuevos ILs39 o ILs avanzados es ampliamente aceptada40, y se incluyen como una categoría con entidad propia dentro de los ILs de tercera generación41.

y presentan una proporción molar distinta de la del punto eutéctico. Estas mezclas son realmente disoluciones de uno de los componentes en la mezcla eutéctica y por tanto no deberían denominarse DES (entendiendo que una mezcla eutéctica se corresponde con una única composición, aquella que muestra el valor más bajo en su temperatura de fusión) 42 . Nosotros mismos hemos preferido utilizar en nuestros trabajos una terminología distinta a DESs para referirnos a estas mezclas, como por ejemplo, “

near-to-eutectic” (o “cerca de la eutecticidad”). Una vez precisado este hecho, en esta tesis

vamos a referirnos de manera genérica a cualquier mezcla como DES, en aras de simplificar el mensaje. No obstante, en el aparatado 1.2.2.1.1 se describirá con mayor detalle el diagrama de fases que ayuda a entender mejor este tema.

Los DESs pueden describirse a través de la fórmula general Cat+X-zY

Donde Cat+ es, en principio, cualquier catión de amonio, fosfonio o sulfonio, X- es una base de Lewis, generalmente un anión haluro. Las especies aniónicas complejas se forman entre el X- y un ácido de Lewis o Brönsted denominado Y, siendo z el número de moléculas de Y que interaccionan con el anión. La mayoría de los estudios se han centrado en el uso de cationes de amonio cuaternario o cationes imidazolio con particular énfasis en el catión colina. Así, en el año 2007, Abbott y colaboradores43definieron a los DESs usando la fórmula general R1R2R3R4N+X- Y-.

Los DESs se pueden clasificar en 4 tipos diferentes, atendiendo a la naturaleza del agente complejante utilizado, tal y como se muestra en la Tabla 1.1.

Tabla 1.1: Clasificación de los DESs. Adaptada de la referencia 39.

Tipo Fórmula General Componentes

TIPO I Cat+X– zMClx M = Zn, Sn, Fe, Al, Ga, In

TIPO II Cat+X– zMClx · yH2O M = Cr, Co, Cu, Ni, Fe

Los DESs de TIPO I están formados por cloruros metálicos (MClx) y sales de amonio

cuaternario42,.En este caso el factor limitante para la formación de DES es que el rango de haluros metálicos no hidratados que permiten formar mezclas líquidas a bajas temperaturas es muy limitado.

Los DESs TIPO II están formados por haluros metálicos hidratados y sales de amonio cuaternario. Estos DESs son viables en procesos industriales de gran escala debido, por un lado, a que no reaccionan en contacto con el agua o el aire, además de por el bajo coste relativo de los haluros metálicos hidratados.

Los DESs de TIPO III están formados por haluros de amonio cuaternario y dadores de protones. Como dadores de hidrógeno se han estudiado hasta la fecha un amplio rango de amidas, ácidos carboxílicos y alcoholes.

Los DESs de TIPO IV están formados por haluros de metales de transición (como Al o Zn) y algunas amidas o alcoholes como dadores de hidrógeno o HDB (“Hydrogen Bond

Donor” en sus siglas en inglés).

Sales

HBDs

O NH2 C H3 N H NH O F F F O NH2 O N H2 N

CH3 CH3 C H3 O NH NH CH3

O

NH N

H HO OH

O H O NH2 OH O H OH H O H O O OH H O O O H OH O O O

H CH3

O O O H OH O O O

H CH3

O OH OH C H3 CH3 CH3 N+ OH Cl -C H3

NH3+ Cl -CH3

N+ C

H3 CH3

CH3 Cl -Cl -CH3 N+ C H3 OH Cl -O C

H3 CH3

C H3

N+

O CH3

P+ CH3

Br -C H3 CH3 N+ CH3 Cl Cl -Cl -N+ CH3 CH3 C H3 CH3

Figura 1.5: Componentes más habitualmente utilizados para formar DESs.

Más recientemente, Zhang et al.12han definido a los DESs de una manera más genérica como fluidos generalmente compuestos por dos o tres componentes que son capaces de auto-asociarse a través de puentes de hidrógeno, formando una mezcla eutéctica con un punto de fusión más bajo que el de sus componentes individuales. Estos autores indican, nuevamente, que las interacciones que permiten este descenso del punto de fusión de la mezcla son puentes de hidrógeno que se forman entre el dador de hidrógeno (HBD) que es neutro, y el anión de la sal. Dicha interacción reduce la fuerza electrostática entre los contra-iones y, por lo tanto, el punto de congelación de la mezcla disminuye 44.

descritas por Kroon y colaboradores46,47_{que, en este caso, aunque son mezclas líquidas a} una temperatura menor que la temperatura de fusión de sus componentes, no presentan punto de fusión para la mezcla, sino que en estos sistemas sólo se observa una temperatura de transición vítrea (Tg, Glass Transition). En este contexto, es preciso destacar también que, en ocasiones, algunas de estas mezclas eutécticas están formadas exclusivamente por especies no iónicas. En cualquier caso, e independientemente de la terminología que se emplee (si bien la mayoría de los autores utiliza el término DES), todas estas mezclas presentan como propiedad común la menor temperatura de fusión de las mismas en relación a la temperatura de fusión de sus componentes por separado48_.

Finalmente, es importante recalcar que, debido a la juventud del término DES es muy posible que, en los próximos años y en función de las nuevas investigaciones en curso, la clasificación de los distintos subgrupos de ILs y DESs varíe. En esta tesis, como se ha mencionado anteriormente para el caso de mezclas líquidas cuya composición difiere ligeramente de la del punto eutéctico, utilizaremos de manera genérica el nombre de DESs en todos los casos por simplicidad, aún siendo conscientes de que este nombre no refleje rigurosamente la realidad de ciertos casos.

1.2.2.1Propiedades de los DESs

el que intervienen, hecho que, según el propio Abbott, ha de ser profundamente investigado por la comunidad científica en los próximos años39.

A continuación, se comentan aquellas propiedades de los DESs consideradas fundamentales, no sólo para su caracterización, sino también para su diseño y funcionalidad.

1.2.2.1.1. Comportamiento de Fase

En relación al comportamiento de fase de los DESs es necesario mencionar que distintos autores hablan o bien de un descenso de la temperatura de fusión del DES (melting

point) respecto delas respectivas temperaturas de fusión de los compuestos individuales

que lo integran o bien más comúnmente se refieren al punto de congelación-solidificación de la muestra (freezing point) respecto de los de los compuestos que lo forman, por lo que debe expresarse con claridad cuál de los puntos se toma como referencia en una mezcla eutéctica.

Como se ha comentado con anterioridad, existen también numerosos DESs que no presentan punto de fusión ni de congelación-solidificación, pero sí una transición vítrea (Tg). El grupo de Kroon y colaboradores46,47, así como Durand et al.48denominan a estas mezclas, Mezclas de Baja Temperatura de Transición (LTTM).

Según Abbott y colaboradores, la diferencia entre el punto de congelación-solidificación

(freezing point) en la proporción del punto eutéctico para una mezcla binaria de A + B

comparada con el valor teórico de la muestra ideal, ΔTf, es debida a la magnitud de las

interacciones establecidas entre A y B. A mayor interacción, mayor será la ΔTf

Sólido A + Sólido B

Punto Eutéctico

A + Liquido _{B + Liquido}

Líquido

fracción molar de B

te

m

p

e

ra

tu

ra

% moles de Urea

Punto Eutéctico

A

B

Figura 1.6:A) Diagrama de fases entre dos componentes A y B. Adaptada de la referencia 39; B) Diagrama de fases del DES de cloruro de colina:urea. Adaptada de la referencia37.

Como ya se ha comentado, el DES urea:cloruro de colina 2:1, descrito por Abbott y colaboradores37, presenta un punto de fusión de 12 °C, siendo considerablemente más bajo que el de cualquiera de sus constituyentes (cloruro de colina Tf = 302 °C, urea Tf =

133 °C). Como se observa en la Figura 1.6B, que representa el diagrama de fases para una mezcla urea:cloruro de colina, esta proporción 2:1 representa la mezcla eutéctica, es decir, aquella proporción que presenta el punto de fusión más bajo posible para una mezcla de dichos compuestos. Sin embargo, existe un rango de mezclas con diversas proporciones de urea y de cloruro de colina que también son líquidas a una temperatura por encima del punto de fusión del eutéctico y por debajo delos puntos de fusión de los compuestos individuales. Estas composiciones se podrían describir como un exceso de urea o de cloruro de colina disuelto en la mezcla eutéctica.

El estudio que Abbott et al. (2004)38 realizan posteriormente, relativo a la formación de mezclas eutécticas a partir de cloruro de colina y distintos ácidos carboxílicos, concluye con la idea de que no se puede establecer ninguna correlación clara entre la temperatura de congelado-solidificación de los DESs y el punto de fusión de cada uno de los compuestos puros. Sin embargo, según demuestra este estudio, cuando se utilizan ácidos como HBDs se observa que es el ácido de menor peso molecular el que muestra una mayor depresión del punto de congelado-solidificación. Además, cuando estos HBDs son multifuncionales, la proporción molar en el eutéctico entre la sal y el HBD tiende a ser 1:1.

En ese trabajo, se indica que el punto de congelado-solidificación de una mezcla eutéctica HBD-sal debe depender de:

- La energía reticular del DES.

- El mecanismo por el cual el HBD y el anión se acoplan.

- Los cambios de entropía provenientes de la formación de una fase líquida. Por lo tanto, en una primera aproximación, la depresión del punto de congelado-solidificación será una medida del cambio de entropía.

Es importante recalcar que los DESs con punto de congelación-solidificación por debajo de los 50 ºC, son más atractivos desde el punto de vista de las aplicaciones debido a que pueden ser usados como disolventes seguros y baratos en muchos campos. Aunque, en la actualidad, el número de DESs líquidos a temperatura ambiente es aún muy limitado12.

Hay que destacar que una diferencia importante entre estos DESs y los ILs tradicionales reside en la mayor depresión del punto de congelación-solidificación (respecto del de sus componentes individuales) de los DESs frente a los ILs, llegando a observarse una depresión de hasta 200 ºC12.

función de la temperatura. Según las conclusiones derivadas de este trabajo, tanto la densidad, como la viscosidad y la conductividad son propiedades dependientes de la temperatura, estando afectadas por este parámetro de manera determinante52.

En general, la mayoría de los DESs presentan densidades superiores a la del agua (Tabla 1.2)12, viéndose influenciado su valor por el tipo de sal y HBD, así como por la proporción molar de ambos compuestos, lo que se explicaría por la teoría de cavidades12,51 ,53, como se ha comentado previamente.

1.2.2.1.3. Viscosidad

Tabla 1.2: Densidades de algunos de los DESs más conocidos. Adaptada de referencia 12.

Sal HBD Sal : HBD _(mol:mol) Densidad _{(ρ, g cm}-3₎

EtNH3Cla CF3CONH2 1 : 1.5 1.273

EtNH3Cla Acetamida 1 : 1.5 1.041

EtNH3Cla Urea 1 : 1.5 1.140

Cloruro de colina CF3CONH2 1 : 2 1.342

AcChClb _{Urea 1 : 2 1.206}

Cloruro de colina Urea 1 : 2 1.25

ZnCl2 Urea 1 : 3.5 1.63

ZnCl2 Acetamida 1 : 4 1.36

ZnCl2 Etilenglicol 1 : 4 1.45

ZnCl2 Hexanediol 1 : 3 1.38

Cloruro de colina Glicerol 1 : 2 1.18

Cloruro de colina Glicerol 1 : 3 1.20

Cloruro de colina Glicerol 1:1 1.16

Cloruro de colina Etilenglicol 1 : 2 1.12

Cloruro de colina Etilenglicol 1 : 3 1.12

Cloruro de colina Ácido Malónico 1 : 2 1.25

Et2(EtOH)NClc Glicerol 1 : 2 1.17

Et2(EtOH)NClc Glicerol 1 : 3 1.21

Et2(EtOH)NClc Glicerol 1 : 4 1.22

Et2(EtOH)NClc Etilenglicol 1 : 2 1.10

Et2(EtOH)NClc Etilenglicol 1 : 3 1.10

Et2(EtOH)NClc Etilenglicol 1 : 4 1.10

Me(Ph)3PBrd Glicerol 1 : 2 1.31

Me(Ph)3PBrd Glicerol 1 : 3 1.30

Me(Ph)3PBrd Glicerol 1 : 4 1.30

Me(Ph)3PBrd Etilenglicol 1 : 3 1.25

Me(Ph)3PBrd Etilenglicol 1 : 4 1.23

Me(Ph)3PBrd Etilenglicol 1 : 6 1.22

En general, la viscosidad de un DES depende de la naturaleza química de sus componentes (tipo de sal de amonio y clase de HBDs), su proporción molar, el contenido de agua y la temperatura12.En relación a esta última, un aumento de la temperatura, disminuye la viscosidad, siguiendo, al igual que los ILs, el comportamiento de Arrhenius12. En este contexto, Abbott y colaboradores (2011) observaron que la disminución de la viscosidad en un DESs de cloruro de colina y glicerol se producía al añadir mayor concentración de la sal54. Sin embargo, en el caso descrito por Maugeri et al.(2012)55 la disminución de la viscosidad en un DES basado en cloruro de colina y polioles derivados de azúcares se producía al añadir mayor concentración de HBD.

Debido a las potenciales aplicaciones de los DESs como disolventes verdes o sostenibles, el desarrollo de mezclas eutécticas que presenten baja viscosidad a temperatura ambiente es altamente deseable.

1.2.2.1.4. Polaridad

Generalmente la polaridad de un disolvente puede ser evaluada a través de su escala de polaridad, llamada ET(30), que es la transición energética del colorante de Reichardt´s

Tabla 1.3: Viscosidades de algunos de los DESs más conocidos.Adaptada de referencia 12

Sal HBD Sal : HBD _(mol:mol) Viscosidad _(cP)

Cloruro de colina Urea 1 : 2 750 (25 °C)

Cloruro de colina Urea 1 : 2 169 (40 °C)

Cloruro de colina Etilenglicol 1 : 2 36 (20 °C)

Cloruro de colina Etilenglicol 1 : 2 37 (25 °C)

Cloruro de colina Etilenglicol 1 : 3 19 (20 °C)

Cloruro de colina Etilenglicol 1 : 4 19 (20 °C)

Cloruro de colina Glucosa 1 : 1 34400 (50 °C)

Cloruro de colina Glicerol 1 : 2 376(20 °C)

Cloruro de colina Glicerol 1 : 2 259(25 °C)

Cloruro de colina Glicerol 1 : 3 450(20 °C)

Cloruro de colina Glicerol 1 : 4 503(20 °C)

Cloruro de colina 1.4-Butanediol 1 : 3 140(20 °C)

Cloruro de colina 1.4-Butanediol 1 : 4 88 (20 °C)

Cloruro de colina Trifluoroacetamida 1 : 2 77(40 °C)

Cloruro de colina Imidazol 3 : 7.5 15 (70 °C)

Cloruro de colina Cloruro de Zinc 1 : 2 85000 (25 °C)

Cloruro de colina Xilitol 1 : 1 5230 (30 °C)

Cloruro de colina Sorbitol 1 : 1 12730(30 °C)

Cloruro de colina Ácido Malónico 1 : 2 1124 (25 °C)

Cloruro de Zinc Urea 1 : 3.5 11340 (25°C)

Bromuro de

tetrametilamonio Imidazol 3 : 7 810 (20 °C)

EtNH3Cl CF3CONH2 1 : 1.5 256 (40 °C)

EtNH3Cl Acetamida 1 : 1.5 64(40 °C)

EtNH3Cl Urea 1 : 1.5 128 (40 °C)

Cloruro de

1.2.2.1.5. Conductividad iónica

Debido a su viscosidad relativamente alta, muchos de los DESs presentan una conductividad iónica muy pobre, menor de 2 mS/cm, a temperatura ambiente. La conductividad de los DESs, dependiente de la temperatura57, generalmente, aumenta de forma significativa al aumentar la ésta, debido a una disminución de su viscosidad12.Considerando que los cambios en las proporciones molares del DES, así como la naturaleza química de los compuestos que lo forman tienen un impacto muy significativo en la viscosidad del DES, queda claro que este parámetro puede influir dramáticamente en su valor12,38.

1.2.2.1.6. Acidez o alcalinidad

Al respecto de este parámetro es importante mencionar algunos conceptos o aproximaciones: (A) La naturaleza química de los HBDs presenta un fuerte impacto en la basicidad o acidez de un DES correspondiente12,52; (B) En determinados DESs es posible revertir su carácter ácido o básico mediante el burbujeo alternativo de gases como dióxido de carbono (CO2) y nitrógeno (N2)58; (C) Cuando se utilizan polioles

derivados de azúcares como HBDs en combinación con cloruro de colina, los DESs obtenidos exhiben un pH neutro en todas las ocasiones medidas55.

1.2.2.2Aplicaciones de los DESs

Figura 1.7: a)Distribución de las publicaciones basadas en el uso de DESs por campo de estudio durante los últimos 10 años. b)Número de patentes registradas durante los últimos 5

años relativas al uso de DESs. Adaptadas de la referencia 59.

Una de las grandes ventajas de los DESs es, como ya se ha indicado antes, su gran versatilidad en cuanto a composición y/o a la proporción molar de sus componentes, lo que está permitiendo el desarrollo de un amplio espectro de nuevas aplicaciones en diversas áreas. Dado que sus propiedades fisicoquímicas dependen fuertemente de estas variables es posible adaptar el DES y diseñar eficazmente sus propiedades, pudiendo preparar una o varias mezclas específicas para cada aplicación y proceso requerido.

metalo-orgánicas, “Metal-Organic Frameworks” 72 , 73), materiales de carbono74, o nanomateriales75.

En muchos de estos procesos, el papel principal que desempeñan los DESs sigue siendo el de disolvente. No obstante, las posibilidades que ofrece el uso de estas mezclas van más allá de ser simples medios de reacción y homogeneización de reactivos, pudiendo cumplir un papel simultáneo como disolvente, y catalizador en diversas síntesis orgánicas, actuando como materiales funcionales en sí mismos o desarrollando un papel activo y múltiple como precursores y disolventes en la síntesis de materiales.

A continuación, se describen varios ejemplos clave que muestran el prometedor papel que pueden desarrollar estas mezclas en el panorama científico actual debido a su versatilidad y multifuncionalidad. Por otro lado, estos ejemplos van a aportar un marco de referencia que permita entender el papel decisivo de los DESs en los trabajos experimentales que conforman los capítulos 3 y 4 de esta tesis, y que se engloban dentro de las áreas de química, ciencia de materiales y aplicaciones farmacológicas o médicas (Figura 1.7A). En dichos trabajos los DESs actúan directamente en la catálisis de poliésteres o materiales similares en ausencia de disolvente o en la síntesis de elastómeros (poliésteres elásticos), donde actúan como precursores y disolventes de forma simultánea.

1.2.2.2.1 DESs Como Disolventes

En este contexto, el desarrollo de procesos alternativos en ausencia de disolventes se plantea como la situación ideal. Por otro lado, si ninguno de los reactivos es un líquido que pueda asumir a la vez el papel de disolvente, una alternativa es el uso de “disolventes verdes o sostenibles” no inflamables, no volátiles, no tóxicos y baratos que puedan sustituir a los tradicionales disolventes orgánicos. Los ILs han sido descritos como “disolventes verdes” debido a su baja presión de vapor. Sin embargo, en los últimos años, se ha investigado la toxicidad de los ILs dando lugar a pruebas que apuntan a que el término “verde” no se puede aplicar a todos los ILs de manera genérica83. De hecho, su impacto ambiental depende fuertemente del tipo de catión y/o anión empleado para producir el IL.

En este punto, la aparición de los DESs y la sustitución de los ILs por los primeros, ofrece ciertas ventajas como el hecho, ya comentado, de que la preparación de los DESs en estado puro es mucho más sencilla que la preparación de los ILs, al no necesitar ningún paso de purificación tras la síntesis. La pureza de los DESs reside, por tanto, en la pureza de sus componentes individuales. Además, el bajo coste de los DESs basados en compuestos ampliamente asequibles y, en general, no tóxicos e incluso presentes en la naturaleza en cantidades importantes, los hace particularmente deseables para aplicaciones sintéticas a gran escala. No obstante, en la actualidad hay aún pocos estudios que verdaderamente indaguen en el impacto medio ambiental de los DESs en su completo ciclo de vida84.

En su papel como disolventes, los DESs pueden participar en procesos bien diversos. A continuación, se destacan algunos de ellos.

1-A) Los DESs como disolventes en síntesis orgánica.

misma. Se han utilizado DESs como disolventes en múltiples tipos de reacciones orgánicas (oxidación, reducción, condensación…) e incluso en procesos de biotransformación. A continuación, se muestran algunos ejemplos significativos de su uso.

1-A.1)DESs como disolventes en reacciones de oxidación.

A nivel industrial la aplicación de los DESs en este tipo de procesos está aún en sus primeras etapas de desarrollo. Un ejemplo de esta aplicación es la oxidación de diferentes alcoholes bencílicos (como el 1-feniletanol) hasta su correspondiente acetofenona empleando N-bromosuccinimida (NBS) como oxidante en un DES de cloruro de colina y urea85 como medio de reacción (Figura 1.8). La sustitución del DES por cualquier disolvente orgánico conllevaba un significativo descenso del rendimiento obtenido.

DISOLVENTE

Colina Cl:Urea

REACTIVOS

PRODUCTOS

NBS

R= Me, Ph 97%

Figura 1.8: DES de cloruro de colina y urea como disolvente en reacciones de oxidación.

correspondientes alcoholes con un rendimiento muy elevado utilizando borohidruro sódico como agente reductor a temperatura ambiente (Figura 1.9)86.

Además, se ha llevado a cabo la reducción de cetonas cíclicas y acíclicas, con excepción de arilcetonas, y la apertura de derivados epóxidos hasta sus correspondientes alcoholes secundarios bajo estas mismas condiciones de reacción con buenos rendimientos.

DISOLVENTE

Colina Cl:Urea

NaBH4

H2N-R3

+

89-98%

R1

O

R2

R1_{= H,Me}

R2_{= H, Cl, NO}

2, COMe, OH

R3_{= Ph, nBu}

REACTIVOS

PRODUCTOS

R3

R1

NH

R2

Figura 1.9: DES de cloruro de colina y urea como disolvente en reacciones de reducción.

1-A.3) DESs como disolventes en reacciones de condensación.

RNH2 R= Alquil, Aril ArCHO

62-85%

ArCHO

NH₃

62-95%

REACTIVOS

PRODUCTOS

DISOLVENTE

Colina Cl:Urea

Ar

-Ar- N N Ar

-Ar- N

R

Figura 1.10: DES de cloruro de colina y urea como disolvente en reacciones de condensación.

R1_{CHO + R}2_NH

2+

PhCOOH +

60-92% NC

DISOLVENTE

Colina Cl:Urea

REACTIVOS

PRODUCTOS

1-A.4) DESs como disolventes en reacciones multicomponente (MCRs).

También se ha estudiado el uso de DESs en procesos multicomponente. Así, por ejemplo, se ha descrito la reacción de Ugi de cuatro componentes en un DES de cloruro de colina y urea 90 , obteniéndose las correspondientes diaminas (Figura 1.11) con unos rendimientos superiores a los observados en los disolventes orgánicos comunes, siendo también posible el reciclado y la reutilización del DES hasta en 3 ciclos.

1-A.5) DESs como disolventes en biotransformaciones.

+

O NH

CH₃

O

O CH₃

ENZIMA: α-Quimotripsina

REACTIVOS

PRODUCTOS

DISOLVENTE

DESs

Cl

-N

H₂

NH₃+

O

Figura 1.12: DESs como disolvente en biotransformaciones.

1-B) Los DESs como disolventes y catalizadores en síntesis orgánica.

Un DES puede ser utilizado en síntesis orgánica no sólo como medio de reacción, sino, también, como fuente de especies catalizadoras (ácidas o básicas).

El papel de los DESs como catalizadores en reacciones de síntesis es aún un aspecto escasamente explorado, no obstante, existen varios ejemplos en la literatura relativos al uso de DESs como disolventes y catalizadores, donde la concentración del DES en la reacción es claramente mayoritaria respecto al resto de componentes, ejerciendo de manera simultánea ambos papeles.

1-B.1) DESs como disolventes y catalizadores en reacciones de esterificación.

En este caso hay que destacar que, si bien, la esterificación entre ácidos carboxílicos y alcoholes mediante el uso de catalizadores ácidos de Lewis o BrØnsted es una reacción ampliamente conocida en síntesis orgánica, presenta grandes dificultades cuando se utilizan ácidos o alcoholes con cadenas de carbonos mayores de C10. Por el contrario, el DES formado por metanosulfonato de trimetilciclohexilamonio y ácido p-toluensulfónico, en proporción molar 1:1, ha sido descrito como un buen medio de reacción catalítico para la esterificación de pequeños de alcoholes de cadena corta, concretamente para cadenas inferiores a C897.

110ºC

+

93-99%

n= 6-20 O

C H₃

OH n

C

H₃

OH n

DISOLVENTE

Y

CATALIZADOR

Colina Cl:Cl

Zn

REACTIVOS

PRODUCTOS

O

C

H3

O CH3

n n

Figura 1.13: DES de cloruro de colina y cloruro de zinc como disolvente y catalizador en reacciones de esterificación.

1-B.2) DESs como disolventes y catalizadores en reacciones de condensación.

descrito también utilizando un DES de N,N`-dimetilurea y ácido cítrico en proporción molar 3:2 a 100ºC99.

1-B.3) DESs como disolventes y catalizadores en reacciones multicomponente (MCRs).

Los DESs más eficaces en este tipo de reacciones son los formados por cloruro de colina. Por ejemplo, algunos DESs obtenidos mediante la mezcla de cloruro de colina con ácidos orgánicos de BrØnsted (ácido malónico100, ácido oxálico101 y ácido p-toluensulfónico102), en la proporción molar apropiada se han usado como catalizadores y medios de reacción en síntesis para una amplia variedad de heterociclos, como la síntesis de pirroles sustituidos a partir de una mezcla multicomponente de aldehídos, aminas, compuestos 1,3-dicarbonílicos y nitrometano103(Figura 1.14).

80ºC

+

52-91%

O O

R2 R3

ArCHO

+ +

R1_NH

2

MeNO₂

DISOLVENTE

Y

CATALIZADOR

Colina Cl: Ácido

Malónico

REACTIVOS

PRODUCTOS

Ar -O

R2 _N

R1 R3

1-B.4) DESs como disolventes y catalizadores en reacciones de formación de enlaces C-C.

Destaca también el uso de los DESs en distintos procesos de formación de enlaces carbono-carbono (C-C) y carbono-heteroátomo. Por ejemplo, las mezclas eutécticas compuestas por cloruro de colina y cloruro de zinc o estaño en proporción molar 1:2 actuaban como disolventes y catalizadores de Lewis para las reacciones de Diels-Alder entre diferentes dienos (isopreno, 1,3-ciclohexadieno,…) y acrilaldehídos como dienófilos, con una elevada selectividad endo y con conversiones más rápidas que las obtenidas en disolventes orgánicos104.

1.2.2.2.2 DESs como Materiales Funcionales en Procesos de Extracción y en

Aplicaciones Energéticas o Ambientales.

Debido a las propiedades intrínsecas de los DESs, éstos pueden actuar como materiales funcionales en sí mismos en algunas aplicaciones concretas105. Estas aplicaciones incluyen aquellos DESs diseñados y utilizados como electrolitos en baterías, adsorbentes para la captura de CO2, o como materiales para la extracción y separación de

determinados compuestos en mezclas complejas.

2-A) DESs como materiales para la separación y extracción de compuestos en

mezclas complejas.

Dentro de esta área, el uso de los DESs se aplica fundamentalmente para la extracción y separación de biodiesel, hidrocarburos y compuestos bioactivos.

2-A.1) DESs como materiales para la extracción y separación de biodiesel.

Mjalli realizó con éxito la separación de glicerol de un biodiesel mediante el uso de un DES de cloruro de colina y glicerol106, cloruro de colina y etilenglicol, o cloruro de colina y 2,2,2-trifluoroacetamida107(Figura 1.15).

Figura 1.15: Ejemplo del uso de un DES para la purificación de biodiesel.

2-A.2) DESs como materiales para la extracción y separación de hidrocarburos aromáticos.

DES

(tetrabutilamonio Cl + HBD)

ACEITES +

IMPUREZAS

ACEITE

DES +

IMPUREZAS

CH₃

OH

OH

OH OH

OH

CH₃

Cl

-N+

CH3

CH3

C

H3

CH3

HBD _N+ Cl

-CH3

CH3

C

H3

CH3

HBD

OH

Figura 1.16: Ejemplo del uso de un DES para la extracción y separación de hidrocarburos.

2-A.3) DESs como materiales para la extracción de compuestos bioactivos.

DES

Urea: Cloruro de tetrametilamonio

HERBA ARTEMISA

SCOPARIAE

_{Principios activos}

DES +

O

NH2

N

H2

CH3

N+

C

H3 CH3

CH3

Cl

-O OH O

OH

O O

H OH

OH OH O

O H

O H

OH

O

NH2

N

H2

O

NH2

N

H2

O

NH2

N

H2

DES

+

Figura 1.17: Ejemplo del uso de un DES para la extracción de ácido clorogénico y ácido cafeíco de la hierba Artemisa Scopariae.

2-B) DESs como materiales para la absorción de CO2.

En la actualidad, la amenaza del calentamiento global debida al exponencial incremento de la concentración de gases de efecto invernadero en la atmósfera atrae cada vez más la atención de una comunidad científica internacional concienciada, como el resto de la sociedad, con esta problemática. El dióxido de carbono o CO2 es el gas de efecto

invernadero de origen antrópico que más influye en el cambio climático. El CO2 existe

en la atmósfera, de manera natural, como parte del ciclo del carbono. Sin embargo, las actividades humanas han aumentado considerablemente la concentración de CO2

atmosférico, alterando dicho ciclo natural111-113.

La captura y almacenamiento de CO2 se han propuesto como una de las alternativas más

importantes para mitigar las emisiones de CO2114. En la actualidad, los esfuerzos están

centrados en el desarrollo de tecnologías eficientes para la captura y separación de CO2

del aire ambiente y/o del gas de síntesis115,116.

concentración de CO2 que será transferida a la fase líquida con el propósito de ser

almacenada en esta matriz. Estos procesos de absorción en disolventes líquidos se dividen en procesos de absorción física o adsorción y procesos de absorción química.

En los procesos de adsorción el CO2 es físicamente absorbido en el disolvente siguiendo

la Ley de Henry. Estos procesos se ven favorecidos en condiciones de elevada presión y bajas temperaturas de reacción, por lo que los procesos de regeneración del disolvente líquido se producen al eliminar el CO2mediante un descenso de la presión y/o un

aumento de la temperatura. Este tipo de tecnologías está en su etapa de madurez por lo que es ampliamente utilizada para tratar distintos tipos de corrientes gaseosas que contienen CO2117.

En los procesos de absorción química, los disolventes líquidos capturan el CO2 mediante

una reacción química reversible, donde se forman especies intermediarias reversibles cuya formación se ve favorecida por procesos en condiciones de bajas presiones parciales de CO2118-120. Los procesos de regeneración del disolvente líquido se producen

al eliminar el CO2 mediante un aumento de la temperatura.

En el caso de la absorción química se han utilizado tradicionalmente disolventes acuosos basados en aminas exhibiendo excelentes propiedades como una elevada capacidad de absorción, una elevada selectividad por el compuesto diana y un bajo precio. Las principales desventajas asociadas a este tipo de disolventes son una elevada demanda energética requerida para regenerar el disolvente, la corrosión inducida en los reactores y la pérdida continua de masa del disolvente por evaporación121. Estas desventajas propician la búsqueda de disolventes más eficientes para la separación de CO2 de

corrientes gaseosas.