Allanar el camino hacia disolventes más ecológicos
La fabricación de muchos productos de uso cotidiano, desde el champú hasta el plástico y los productos farmacéuticos, requiere reacciones químicas. En estas «síntesis orgánicas» se utilizan disolventes, que tradicionalmente se obtienen a partir de combustibles fósiles como el petróleo y el gas. Se avecina un futuro más ecológico. Los nuevos disolventes de origen vegetal reducirían aún más nuestra dependencia de los combustibles fósiles, pero la falta de estudios sobre sus reacciones está frenando su adopción. «Esta laguna de conocimiento se debe principalmente a que los disolventes de origen biológico son relativamente nuevos y aún no se han estudiado de forma sistemática mediante métodos físico-orgánicos cuantitativos», afirma Armin R. Ofial, director del grupo de investigación de la LMU de Múnich(se abrirá en una nueva ventana). A través del proyecto ResolveByBio, que contó con el apoyo de las Acciones Marie Skłodowska-Curie(se abrirá en una nueva ventana), Ofial y su equipo trataron de subsanar esta carencia proporcionando datos sobre las reacciones entre electrófilos y nucleófilos en disolventes de origen biológico. Estas reacciones consisten en la formación de nuevas moléculas mediante la unión de dos reactivos mediante un nuevo enlace químico. El nucleófilo, rico en electrones, comparte un par de electrones con el electrófilo, pobre en electrones, que lo acepta para formar un nuevo enlace. «Un aspecto clave del proyecto es que tiende un puente entre la química fisico-orgánica fundamental con los retos de sostenibilidad del mundo real», añade Ofial. «Al combinar el análisis cinético, la espectroscopia y los conocimientos computacionales, con este trabajo no solo se amplían los conocimientos científicos, sino que también se ofrecen herramientas prácticas para una síntesis química más respetuosa con el medio ambiente».
Estudiar las reacciones entre electrófilos y nucleófilos
La reactividad de los nucleófilos depende del disolvente en el que se llevan a cabo las reacciones. El equipo de ResolveByBio se centró en cuantificar la reactividad de los nucleófilos en disolventes biorrenovables, utilizando espectroscopia resuelta en el tiempo. «Esto supuso monitorizar las velocidades de descomposición de los reactivos electrofílicos coloreados en condiciones controladas», explica Ofial. Los investigadores llevaron a cabo experimentos para determinar la velocidad a la que se producían las reacciones en los disolventes de origen vegetal. A continuación, analizaron matemáticamente los resultados para calcular las puntuaciones que indicaban el grado de reactividad de cada nucleófilo. «De este modo, los nuevos datos sobre la reactividad de clases importantes de nucleófilos, como las fosfinas y las enaminas, en disolventes biorenovables podrían integrarse en la escala de reactividad más completa que existe actualmente para las reacciones polares», señala Ofial. Esta escala, conocida como la escala de Mayr, anteriormente solo incluía datos sobre la reactividad de los nucleófilos en disolventes convencionales derivados de combustibles fósiles o en soluciones acuosas.
Ampliar nuestros conocimientos sobre los disolventes de origen vegetal
En un estudio reciente, por ejemplo, las azidas de vinilo(se abrirá en una nueva ventana) reaccionaron más rápidamente en el disolvente biorrenovable Cyrene™(se abrirá en una nueva ventana) que en el diclorometano, un disolvente derivado de combustibles fósiles. «Este resultado pone de manifiesto que los disolventes biorenovables tienen ventajas, ya que no solo sustituyen a los disolventes fósiles existentes, sino que, en ocasiones, aportan incluso una ventaja adicional al acortar los tiempos de reacción», señala Ofial.
Impulsar la transformación sostenible en el sector químico de la Unión Europea
En el proyecto se aportan datos fundamentales necesarios para sustituir los disolventes peligrosos de origen fósil por alternativas sostenibles, y se permite a los investigadores predecir los tiempos de reacción en disolventes de origen biológico. «Esto elimina un obstáculo importante para su adopción industrial», señala Ofial. «Contribuye directamente a la estrategia de la Unión Europea (UE) denominada «sostenible desde el diseño» y respalda la transición hacia procesos químicos más seguros y con bajas emisiones de carbono, así como hacia una reducción general de los residuos industriales». Los investigadores tienen previsto ampliar sus estudios de investigación para incluir una gama más amplia de reacciones y sistemas de disolventes, lo que contribuiría al desarrollo de nuevos productos de forma más respetuosa con el medio ambiente. «En última instancia, el objetivo es utilizar estos conocimientos fundamentales como herramientas para facilitar las aplicaciones prácticas, incluida la síntesis de moléculas funcionales mediante disolventes respetuosos con el medio ambiente», concluye Ofial.