Personal del Grup de Catàlisi per a Reaccions Orgàniques Sostenibles de l?ITQ al seu laboratori. | ITQ (CSIC-UPV)Un grup d'investigació de l'Institut de Tecnologia Química (ITQ), centre mixt del Consell Superior d'Investigacions Científiques (CSIC) i la Universitat Politècnica de València (UPV), ha desenvolupat un nou mètode per a realitzar una reacció fonamental en la indústria química, l'epoxidació d'alquens, emprant sol oxigen o aire, sense necessitat d'utilitzar catalitzadors ni dissolvents. Això permet fabricar productes industrials com a plàstics, productes farmacèutics i detergents sense emprar dissolvents tòxics ni metalls pesants. El nou mètode ha sigut patentat i els seus resultats es publiquen ara en la revista Nature Communications.
L'epoxidació d'alquens és una reacció fonamental en la indústria química, en la qual un alqué, una molècula orgànica formada per carboni i hidrogen, es transforma en un epòxid, compost molt reactiu que és molt útil en moltes reaccions químiques i industrials. Són essencials, entre altres, en la producció de plàstics i resines epoxi (polímers de gran resistència i versatilitat utilitzats en la construcció, la informàtica o l'automoció), així com en la fabricació de productes farmacèutics, detergents, fragàncies i sabors.
"Quant a l'epoxidació d'alquens, hem d'imaginar que els alquens són com a peces de Llec fetes només de carboni i hidrogen, amb un 'doble enllaç' entre dos dels seus àtoms de carboni. Eixe doble enllaç és una espècie de punt feble, on la molècula és més reactiva. L'epoxidació és la reacció química que pren eixes peces de Llec, els alquens, i els afig un àtom d'oxigen per a formar una estructura de tres àtoms, dos de carboni i un d'oxigen. El resultat és un nou compost, l'epòxid, molt més reactiu i versàtil, una peça clau que de fet obri moltes portes en l'àmbit de la química", explica Antonio Leyva Pérez, investigador científic del CSIC a l'ITQ (UPV-CSIC) i coautor de la investigació.
Fins ara, un dels mètodes més comuns per a obtindre epòxids és l'epoxidació catalítica, un procés químic en el qual els alquens aconsegueixen l'àtom d'oxigen a partir del peròxid d'hidrogen, comunament conegut com a aigua oxigenada. No obstant això, perquè el peròxid done l'àtom d'oxigen als alquens és necessari la utilització de catalitzadors, on s'empren metalls com el vanadi o el titani, que actuen com a 'mediadors moleculars' per a convertir els alquens en epòxids.
No obstant això, l'innovador mètode desenvolupat pe l'ITQ permet obtindre epòxids sense utilitzar catalitzadors, la qual cosa es considerava inviable fins ara. A més, els seus resultats mostren alts nivells de rendiment i una selectivitat de fins a un 90%, percentatge que fa referència a la preferència d'una reacció química per formar un compost específic, quan existeix la possibilitat que succeïsquen diversos resultats diferents. Per a aconseguir-ho, el sistema empra diferents formes: es pot realitzar la reacció utilitzant aire a pressions moderades (entre 3 i 5 bars); emprant el contacte directe amb l'aire, on la reacció pot ocórrer de manera espontània a temperatura ambient, una cosa també inèdita fins al moment; i aplicant oxigen i calor, amb temperatures entre els 100 i els 200 °C.
Aquest procés pot dur-se a terme en un matràs comú obert a l'aire durant diverses hores, la qual cosa permet augmentar significativament la producció actual. La reacció es produeix a través d'una sèrie d'interaccions entre els alquens en estat líquid i l'oxigen de l'aire. En aquestes condicions, els alquens reaccionen per a formar radicals, que són partícules altament reactives capaces d'activar l'oxigen de l'aire. Això genera un superòxid, és a dir, un radical lliure o molècula amb un electró desaparellat (sense un altre electró en la mateixa regió d'al voltant del nucli d'un àtom) que reacciona amb els alquens activats per a formar un producte intermedi que, al seu torn, interactua amb més oxigen per a donar lloc al producte final: un epòxid.
"Gràcies a aquest procés, hi ha la possibilitat d'eliminar tant l'aigua oxigenada com els additius i el dissolvent emprats fins ara en la indústria, substituint-lo tot per aire simplement. D'aquesta manera, es redueixen els costos de producció en més d'un 50 per cent", assegura Judit Oliver, investigadora del CSIC a l'ITQ (UPV-CSIC) i coautora de la investigació.
Un mètode escalable industrialment
A més de sostenible, aquest mètode destaca per la seua senzillesa, ja que per a dur a terme la reacció només requereix l'alqué pur i aire o oxigen com a únics reactius. També es pot aplicar a diferents tipus d'alquens, inclosos els derivats de la biomassa. Un altre avantatge és que pot integrar-se directament en processos químics molt comuns com, per exemple, la preparació de polímers, lubrificants i fàrmacs.
"Això obri noves oportunitats per a la síntesi en un sol pas o one-pot, en la qual tots els reactius es combinen en un sol recipient sense necessitat d'aïllar o purificar els intermedis formats entre cada pas", explica Susi Hervàs Arnandis, investigadora predoctoral a l'ITQ (UPV-CSIC) en la tesi del qual s'emmarca aquest treball.
Així, el nou mètode pot combinar-se amb altres processos de síntesis en un sol reactor, i compta amb un baix cost operatiu perquè necessita menys etapes, menys materials i equips més simples que els utilitzats tradicionalment per a obtindre la mateixa reacció. Això es tradueix en què és més senzill escalar-ho industrialment.
Procés més segur, sostenible i econòmic
"Amb l'escalat a nivell industrial es poden substituir els reactors específics que s'utilitzen per a aigua oxigenada per uns altres més senzills, ja que l'aigua oxigenada és molt corrosiva i explosiva, obtenint un procés més segur, més sostenible i més econòmic", assegura l'investigador del CSIC Antonio Leyva.
El treball s'ha realitzat en el Grup de Catàlisi per a Reaccions Orgàniques Sostenibles de l'ITQ, dins de la tesi doctoral de Susi Hervàs Arnandis, dirigida conjuntament per Judit Oliver Meseguer i Antonio Leyva Pérez. A més, en aquest estudi també participen com a coautors Francisco Garnes Portolés i Silvia Rodríguez Nuévalos, anteriors membres del grup d'investigació. Els resultats obtinguts estan protegits mitjançant la patent registrada amb el número P202430625.
