Towards sustainability in organic transformations catalysed by 1,3-Bis (Carboxymethyl) midazole-based systems

Resumen

La química se ha asociado con procesos peligrosos a lo largo de la historia. Quizá la razón sea que, en el pasado, se ha ignorado su impacto en el medio ambiente. En los últimos años, ha surgido una conciencia global hacia la sostenibilidad en todas las disciplinas. Los químicos se han concienciado de esta situación y han comenzado a hacer un gran esfuerzo por enmendar la situación actual. El concepto de Química Sostenible fue introducido a finales de los años 90 y se define como “el diseño de productos y procesos para reducir o eliminar el uso y la generación de sustancias nocivas”. La sostenibilidad es un objetivo intencionado, es decir, es necesario tener el propósito de contribuir a esa sostenibilidad, y por tanto implica un diseño previo. Los Doce Principios de la Química Sostenible fueron introducidos por Paul Anastas y John Warner en 1998 y constituyen las reglas de diseño para ayudar a los químicos con este objetivo, planificando las síntesis químicas de manera que se reduzcan las consecuencias perjudiciales para el medio ambiente [1-4]. Algunos de los principios en los que los químicos que trabajan en investigación básica pueden contribuir principalmente se describen a continuación: Prevención (Principio 1) Es mejor prevenir la formación de residuos que tener que tratarlos. Los residuos incluyen, no solo la generación de cualquier material sin valor, sino también la energía desperdiciada [1]. Teniendo en cuenta que es necesario medir la sostenibilidad de los procesos para poder mejorarlos [4], Roger Sheldon introdujo en 1992 el concepto de Factor de Impacto Ambiental, conocido comúnmente como factor E, el cual relaciona la masa de residuos producidos con la masa de producto obtenido [5]. Desde entonces, esta medida ha sido adoptada y se utiliza como instrumento de comparación [6]. Economía atómica (Principio 2) El concepto de economía atómica fue introducido por Barry Trost en los años 90 [7,8]. Es un número teórico basado en la suposición de que los reactivos se usan estequiométricamente y de que el rendimiento de la reacción es del 100%. Este número mide la fracción de masa de los reactivos iniciales que se incorpora al producto final. Aunque el factor E es más preciso para reflejar la sostenibilidad de un proceso real, la economía atómica da un valor inicial estimado de la eficiencia del proceso: cuanto menor sea la economía atómica teórica, mayor será el factor E real. Por tanto, es recomendable buscar procesos químicos con economías atómicas tan próximas al 100% como sea posible. Disolventes y auxiliares más seguros (Principio 5) Los disolventes son, probablemente, el área de la investigación en química sostenible más activa actualmente, puesto que representan el mayor porcentaje de residuos generados en procesos industriales. Los disolventes convencionales (llamados VOCs, del inglés volatile organic compounds, compuestos orgánicos volátiles) son corrosivos, inflamables y tóxicos, y su volatilidad, así como su solubilidad, han causado la contaminación del agua, el aire y la tierra a lo largo de los años. Aunque es posible recuperarlos, este proceso consume mucha energía. Por tanto, la búsqueda de medios de reacción alternativos se ha convertido en un campo de investigación atractivo en los últimos 20 años. Se han empezado a estudiar y usar otros disolventes alternativos para llevar a cabo transformaciones orgánicas, como por ejemplo el agua, los fluidos super críticos, los VOCs sostenibles, los líquidos iónicos, las mezclas eutécticas, los disolventes fluorados y los polímeros líquidos [1]. Sin embargo, es fácil imaginar que cualquier medio alternativo a los disolventes convencionales comporta también inconvenientes y limitaciones. Por ello, se está trabajando también en eliminar el uso de disolventes, porque “el mejor disolvente es no usar disolvente” [1]. Esto puede aplicarse también al uso de reactivos auxiliares; si es posible, estos no deberían usarse. Reducir los derivados (Principio 8) Una de las causas de la baja economía atómica de algunos procesos es el diseño de síntesis con muchos pasos que involucran derivados, como por ejemplo protección/desprotección de grupos sensibles, modificaciones temporales de las propiedades fisicoquímicas o activación de grupos poco reactivos. Estos pasos deberían evitarse, dentro de lo posible, porque requieren de reactivos y disolventes adicionales, aumentando por tanto la generación de residuos.2 Catálisis (Principio 9) En muchos casos, la formación de grandes cantidades de residuos se asocia con el uso tradicional de cantidades estequiométricas de reactivos. Por tanto, cambiar de procesos estequiométricos a metodologías catalíticas (subestequiométricas) es una herramienta para mejorar la eficiencia de un proceso desde la perspectiva medioambiental. Los catalizadores son especies que modifican la energía de activación de una reacción y no se consumen ni se alteran tras el proceso. Por tanto, su uso ayuda también a conseguir el Principio 6: eficiencia energética, y el Principio 1: prevención de residuos. Además, algunos catalizadores pueden dar lugar a productos específicos (en términos de regio-, quimio- y estereoselectividad) cuando se pueden obtener varios compuestos en una reacción. Otra característica importante, y un campo en el que se ha avanzado mucho en los últimos años, es la posibilidad de diseñar catalizadores con una estabilidad mejorada, activos en cantidades muy bajas, recuperables y reciclables. El hecho de poder recuperar y reusar los catalizadores es una propiedad característica de los sistemas heterogéneos, más que de los homogéneos, y permite producir grandes cantidades de un compuesto con una cantidad mínima de catalizador [1]. Por tanto, la búsqueda de sistemas catalíticos mejorados con todas las características mencionadas es esencial. Con relación a esto, a la hora de diseñar un sistema catalítico, la sostenibilidad de su síntesis debería tenerse también en cuenta.