Búsqueda y desarrollo de moléculas derivadas de glicerol con utilidad como disolvente

Resumen

1. RESUMEN La necesidad de buscar fuentes renovables para la obtención de sustancias químicas, junto con la creciente oferta y abaratamiento del glicerol, proveniente de la industria del biodiesel, han impulsado a la comunidad científica hacia la búsqueda de posibles aplicaciones del 1,2,3-propanotriol. Una interesante salida de la sobreproducción de este compuesto es introducirlo en el mundo de la industria utilizándolo como disolvente, con el objetivo de reemplazar los disolventes orgánicos actualmente utilizados, muchos de ellos catalogados como peligrosos o nocivos. 2. OBJETIVOS La tesis doctoral consta de cinco partes: 1. La búsqueda y obtención de derivados de glicerol con posible interés como disolvente. 2. La mejora del método productivo de dichos derivados. 3. La completa caracterización fisicoquímica de estos. 4. La clasificación y el empleo de herramientas estadísticas para la predicción de propiedades 5. La búsqueda de aplicaciones de estos disolventes. 3. ESTADO DE LA CUESTIÓN Recientemente se ha adoptado una directiva europea con la que se pretende alcanzar un acuerdo de mínimos para el fomento del uso de biocombustibles, dónde el principal impulsor es el biodiésel.[1] En la producción de biodiésel se genera una cantidad nada despreciable de glicerol como subproducto (aproximadamente un 10% en peso). El glicerol se ha utilizado clásicamente en diversas aplicaciones, hoy en día más de 2.000 aplicaciones se benefician de las propiedades del glicerol. A pesar de esa gran cantidad de aplicaciones va a ser difícil que la creciente cantidad de glicerol pueda ser absorbida por la industria, por lo que parece necesaria la búsqueda de otras salidas alternativas a estos residuos glicerinosos. Los disolventes orgánicos ocupan un lugar destacado en muchos campos de la actividad industrial, están presentes en formulaciones de los distintos productos comerciales de uso común (pinturas, barnices, adhesivos, etc.), en procesos de síntesis química (productos farmacéuticos, agroquímicos, productos de consumo, etc.), en procesos de purificación (recristalización, cromatografía, precipitación, etc.), en procesos de extracción (aceites, aromas, esencias, etc.), en procesos de limpieza y desengrasado, etc. Las normativas cada vez más restrictivas, en lo concerniente a toxicidad, volatilidad, inflamabilidad, impacto ambiental y tratamiento de residuos, hacen que la industria esté realizando un importante esfuerzo para sustituir algunos de los disolventes orgánicos tradicionales por otros más seguros y ecológicos. El Proyecto Integrado SOLVSAFE (NMP2-CT-011774), en el que participaron 18 grupos de 7 países europeos, partió con el propósito de abordar el problema de la sustitución de los disolventes orgánicos tradicionales por otros más inocuos y medioambientalmente benignos. Una de las líneas de trabajo de este proyecto en la cual estamos directamente implicados, es la puesta a punto tanto de nuevos disolventes como de sus formas de obtención, usando el glicerol como punto de partida. La familia de derivados de glicerol que se eligió como objeto de estudio como disolvente fue la de los éteres de glicerol, puesto que presentaban, a priori, unas propiedades que los hacían ser los más interesantes. 3.1 Búsqueda y obtención de derivados de glicerol Existen varios procedimientos de obtención de derivados tipo éter a partir del glicerol, tales como la eterificaciones catalíticas que usan ácidos orgánicos,[2] zeolitas,[3] sílices ácidas,[4] compuestos tipo nafión,[5] etc. Finalmente se eligió la apertura de glicidoles comerciales como ruta sintética para la generación de los éteres de glicerol. A pesar de no partir inicialmente de glicerol para generar estos derivados, es factible obtenerlos, puesto que existen procesos con los que se puede obtener glicidol a partir de carbonato de glicerol,[6] y este a su vez, a partir del propio glicerol.[7] También la epiclorhidrina puede ser obtenida a partir de glicerol.[8-9] 3.2. Caracterización de dichos derivados Todos los derivados de glicerol, muchos no descritos previamente, deben ser correctamente caracterizados además de determinarse varios parámetros que permitan su clasificación como posibles disolventes. 1. Capacidad de solvatación, a través de parámetros solvatocrómicos.[10] 2. Permitividad dieléctrica (¿), momento dipolar (¿) e índice de refracción. 3. Coeficiente de partición 1-octanol/agua y miscibilidad con agua. 4. Viscosidad dinámica (¿), viscosidad cinemática (¿) y densidad (¿) 5. Punto de ebullición y presión de vapor. La cantidad de parámetros hacen necesario desarrollar modelos multiparamétricos basados en procedimientos matemático-estadísticos (análisis de componentes principales, regresiones lineales múltiples, etc.) para condensar la información y analizarla de forma clara y fiable. 3.3. Mejora en los procesos productivos A partir de finales del siglo pasado se empezó a hablar del principio de precaución y prevención y se empezó a forjar el concepto de química verde.[11] Así pues, reducir residuos, usar disolventes más benignos y degradables, condiciones más suaves o tiempos más cortos de reacción, etc., serán las llaves que nos darán acceso a la química moderna. La catálisis nos debe conducir hacia la química verde por vías más sostenibles y ecológicas. Podemos hallar varios ejemplos de catalizadores para llevar a cabo la ruta sintética elegida, tales como alúmina[12] o bisulfato de magnesio.[13] Ninguno de los procesos descritos en la bibliografía resultó ser efectivo, por lo que se plantea el empleo de otros catalizadores, tales como hidrotalcitas, fosfatos naturales y sales de potasio. 3.4 Búsqueda de aplicaciones para estos derivados de glicerol como disolventes. 3.4.1. Epoxidación de olefinas En los últimos años se ha avanzado en el desarrollo de nuevas tecnologías que optimicen la epoxidación de dobles enlaces carbono-carbono, como el uso de agentes oxidantes más benignos o el empleo de sistemas catalíticos. El desarrollo del trabajo contenido en este apartado fue llevado a cabo durante una estancia realizada en la Universidad Técnica de Delft (TU Delft), en el grupo de la Profesora Isabel Arends, donde se aplicaron los disolventes derivados de glicerol a un sistema epoxidativo más benigno que se había puesto a punto en dicho grupo.[14-15] Esto permitió:[16] 1. Comprobar la resistencia de estos disolventes a este proceso oxidativo. 2. Comparar los disolventes derivados de glicerol con disolventes convencionales. 3. Sustituir disolventes convencionales mejorando en conceptos de seguridad. 4. Estudiar cuantitativamente la influencia del disolvente en el proceso oxidativo. 5. Establecer un sistema de producción con catalizador y disolvente recuperables. 3.4.2. Oxidación de alcoholes. El desarrollo de procesos catalíticos, la utilización de aire como oxidante o el uso de disolventes más benignos supone un gran avance en la tecnología de las transformaciones oxidativas. En la Universidad Técnica de Delft (Laboratory for Biocatalysis and Organic Chemistry, Delft University of Technology) habían desarrollado un sistema más benigno para la oxidación de alcoholes,[17] sobre el que trabajamos para tratar de utilizar los derivados de glicerol como disolvente. Este trabajo permitió: 1. Comprobar la resistencia de estos disolventes a procesos oxidativos. 2. Sustituir los co-solventes orgánicos convencionales por alguno de estos. 3. Estudiar la influencia del disolvente en el proceso oxidativo. 4. Comprobar si su bajo poder de coordinación interfiere en el ciclo catalítico. 3.4.3. Oxidación de Baeyer-Villiger Clásicamente, esta transformación ha sido llevada a cabo por tratamiento con perácidos en cantidades estequiométricas, lo que genera una gran cantidad de residuos. Recientemente el grupo de la Profesora Isabel Arends en la Universidad TU Delft (Holanda), descubrió una serie de catalizadores que superan en actividad y selectividad a los clásicamente utilizados.[18] Mediante la utilización de derivados de glicerol como disolvente se pone de manifiesto: 1. La resistencia de estos disolventes a este proceso oxidativo. 2. En ocasiones se ha superado a disolventes orgánicos convencionales. 3. Que el proceso está profundamente influenciado por la naturaleza del medio. 3.4.4. Medio para la obtención de profármacos de Aciclovir. La colaboración mantenida con el grupo del Profesor José Vicente Sinisterra (Universidad Complutense de Madrid) permitió el estudio como medio de reacción de los derivados de glicerol en la obtención de profármacos del Aciclovir. La síntesis de los profármacos puede ser llevada a cabo mediante vías enzimáticas.[19] El objetivo primordial era la realización de la síntesis de profármacos de Aciclovir en disolventes que, por su inocuidad, pudieran ser incorporados a la formulación del fármaco. 3.4.5. Medio para la síntesis enzimática de disacáridos. De nuevo una colaboración con el grupo del Profesor José Vicente Sinisterra Gago permitió el estudio de disolventes derivados de glicerol como medio de reacción para llevar a cabo la síntesis quimioenzimática de disacáridos con interés biológico.[20] 3.4.6. Medio para la reducción enantioselectiva de ésteres ¿,ß-insaturados. La experiencia en nuestro grupo de investigación en heterogeneización de catalizadores tipo azabis(oxazolina)-cobalto(II) ha permitido llevar a cabo un estudio sobre el empleo de derivados de glicerol como disolvente para la formación sistemas bifásicos. La reducción selectiva de dobles enlaces de compuestos ¿,ß-insaturados ha sido la elegida para llevar a cabo el estudio de estos sistemas.[21] 3.4.7. Medio para la oxidación alílica bifásica. La activación oxidativa de enlaces C-H, como la reacción de Kharasch-Sosnovsky,[22] ha sido objeto de estudio para la aplicación de derivados de glicerol como disolvente, utilizando derivados complejos organometálicos entre derivados oxazolínicos y cobre.[23-24] 4. METODOLOGÍA Los derivados de glicerol, obtenidos han sido caracterizados mediante técnicas espectroscópicas de resonancia magnética nuclear de protón y carbono-13, cromatografía de gases, espectroscopia infrarroja, espectrometría de masas y análisis elemental. La determinación de parámetros físico-químicos ha requerido técnicas de fotometría, dipolarimetría, refractometría, volumetría Karl-Fisher, viscosimetría, densimetría y calorimetría diferencial de barrido. Para la estimación de parámetros se han utilizado teorías de contribución de grupos integradas en programas informáticos y para la modelización molecular teórica, se ha utilizado el modelo DFT a nivel de cálculo B3LYP/6-31G(d) integrado en el programa Gaussian 03. Mientras que para el tratamiento estadístico de conjuntos de datos se han utilizado regresiones múltiples, análisis de componentes principales, análisis jerárquicos, etc., todos ellos implementados en distintos programas informáticos. 5. BIBLIOGRAFÍA [1]. EU-Directive, 2009/28/EC, 2009, 23th April. [2]. Behr, A., Schmidke, H., Lohr C., Schneider, M., World Pat., 1994, WO 9401389. [3]. Barsa, E. A., Steinmetz, B. M., PCT Int. Appl., 2009, WO 2009117044. [4]. Melero, J. A., Vicente, G., Morales, G., Paniagua, M., Moreno, J. M., Roldán, R., Ezquerro, A., Pérez, C., Appl. Catal. A: General, 2008, 346, 44-51. [5]. Tecza, W., Kijenski, J., Jamroz, M. E., Prz. Chem., 2006, 85 (12), 1594-1596. [6]. Yoo, J. 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