Valladolid investiga las claves para impulsar una industria más verde
Desde la UVa trabajan para mejorar los procesos en el sector productivo desde la sostenibilidad / Desarrollan compuestos que suponen un ahorro de reactivos y energía
Miembros del grupo Catálisis y Polímeros en el Instituto CINQUIMA
Los criterios basados en la sostenibilidad van ganando terreno. Por este motivo, la industria avanza para mejorar su huella en el planeta. La causa medioambiental está presente y la hoja de ruta y las líneas rojas, claras. Por esta razón, aquellas investigaciones que tengan como objetivo las metas marcadas toman la delantera. Es el caso del trabajo experimental que realiza el grupo Catálisis y Polímeros de la Universidad de Valladolid (UVa), en el que ha probado cómo se rompe un enlace fundamental en los catalizadores que transforman los hidrocarburos.
En concreto, la catedrática de Química Inorgánica Ana Carmen Albéniz Jiménez explica que están desarrollando compuestos de paladio que actúen como catalizadores y permitan la transformación directa de hidrocarburos, las materias primas disponibles, en otros compuestos químicos de interés más complejos en un menor número de etapas sintéticas, es decir, realizando menos reacciones químicas. «Esto simplifica los procesos y supone un ahorro de reactivos y energía y la generación de menos residuos».
Y es que, según comenta, en el proceso de síntesis química una molécula complicada se construye uniendo entidades más pequeñas entre sí mediante enlaces entre átomos, como si se tratara de un puzle. Estos complejos están presentes en la producción de fármacos, cosméticos o en la industria alimentaria, esto es, de productos de alto valor añadido. «La formación de los nuevos enlaces entre átomos hay que hacerla de manera muy precisa. Para ello es necesario usar compuestos muy específicos, que generalmente contienen metales y actúan como catalizadores haciendo posibles las reacciones», subraya.
De forma habitual, destaca que los fragmentos que en la actualidad se ensamblan en una síntesis química hay que prepararlos a partir de las materias primas (hidrocarburos) mediante dos o tres pasos previos que suponen un gasto de tiempo, materiales y energía. «Nosotros aportamos métodos para realizar estas síntesis complicadas en un menor número de etapas usando directamente hidrocarburos como alguno de los fragmentos en la síntesis química», celebra para, a continuación, añadir que los hidrocarburos son poco reactivos y en su transformación hay que romper enlaces carbono-hidrógeno (enlaces C-H) y esto es difícil -«cuesta más energía y es muy lento», indica Albéniz Jiménez, por lo que los catalizadores habituales no son capaces de llevar a cabo estas reacciones.
Este grupo ha creado compuestos de paladio especialmente diseñados para esta función, en los que el metal (el paladio) está rodeado de compuestos químicos que se denominan ligandos con unas características especiales. Con ellos han logrado hacer reaccionar a los hidrocarburos de forma más rápida y selectiva.
En su opinión, es un proyecto innovador porque desarrollan nuevos catalizadores que son capaces de hacer reaccionar hidrocarburos y realizar con ellos transformaciones químicas más sostenibles y algunas inéditas. «Mediante el diseño químico de los ligandos que rodean al metal en el catalizador, paladio en nuestro caso, hemos conseguido ahorrar hasta tres pasos en la síntesis de compuestos de interés».
Un ejemplo reciente de estos resultados, tal y como expone la catedrática de Química Inorgánica, es la transformación de anilinas en otros derivados más complejos de forma directa y muy selectiva en una sola etapa. «Este tipo de moléculas pueden reaccionar de cuatro modos distintos y hemos conseguido transformarlas rápida y específicamente sólo de una manera, evitando la formación de subproductos indeseados que se convierten en residuos. El fragmento anilina está presente en numerosas moléculas bioactivas y su transformación tiene aplicación en la síntesis de nuevos fármacos», señala.
Este trabajo se enmarca dentro de la catálisis. Los catalizadores son compuestos químicos capaces de acelerar las reacciones químicas y proporcionar nuevas moléculas por vías imposibles de otro modo. Como consecuencia, los procesos químicos se pueden llevar a cabo a bajas temperaturas y en menos tiempo, con lo que el consumo energético es menor. Además, Ana Carmen Albéniz Jiménez precisa que las reacciones producen menos subproductos indeseados, lo que genera menos residuos. Por esta razón, considera que mejorar y crear nuevos catalizadores es «fundamental» para conseguir una química más sostenible.
No hay que olvidar que alrededor de un 75% de los procesos industriales y un 90% de los procesos de nueva implantación en la industria usan catalizadores, que suelen ser metales o sus compuestos derivados. «El paladio es uno de los metales más importantes en catálisis y su gran actividad hace que las cantidades necesarias de este metal en estos procesos sean extremadamente pequeñas».
Respecto a las ventajas, incide en que la catálisis es «esencial» para conseguir procesos más sostenibles y, por tanto, más verdes. «Los complejos de paladio son muy importantes en este campo y se emplean actualmente en la síntesis de moléculas complejas importantes en la industria de química fina». De hecho, sostiene que la industria farmacéutica, por ejemplo, es muy exigente en sus protocolos de síntesis de compuestos, tanto por la complejidad de las moléculas que fabrica como por los requerimientos de pureza necesarios. «Emplea catalizadores en casi todas las síntesis, muchos de ellos, compuestos que contienen paladio, y necesita modificar continuamente los catalizadores existentes para conseguir preparar los nuevos fármacos que se van desarrollando», aclara.
En cuanto al ahorro, agrega que los métodos catalíticos que han creado consiguen reacciones más rápidas. A esto se suma que usan hidrocarburos que simplifican los procesos de síntesis, evitando varias reacciones químicas. Esto supone, insiste Albéniz Jiménez, un ahorro de materiales y recursos (reactivos, disolventes, etcétera) y de energía (tiempos más cortos de reacción a alta temperatura). «Ambos tipos de ahorro son clave para que los procesos sean sostenibles».
Todo comenzó hace 10 años cuando este equipo vallisoletano decidió que quería contribuir al desarrollo de una química más sostenible. Por este motivo, empezaron a trabajar con la idea de usar hidrocarburos directamente en la síntesis de compuestos de interés en química fina. Es verdad, reconoce, que el grupo ya había trabajado en la catálisis y en la química de paladio durante muchos años. «Este metal precioso es fundamental en catálisis y conocemos muy bien cómo se comporta». A partir de ese conocimiento y del estado del arte tenían claro que el diseño del ligando que rodea al metal es importante, y ahí centraron todos sus esfuerzos.
Es verdad, admite la catedrática de la Universidad de Valladolid, que existen numerosos grupos que trabajan en la transformación de hidrocarburos con complejos de paladio por el enorme interés que tiene, si bien presume de que su diseño de los catalizadores de paladio es diferente. Es más, declara que han sido pioneros en describir la utilidad de este diseño en reacciones más rápidas y selectivas, así como en demostrar de manera experimental por qué el diseño del ligando que rodea al paladio permite que las reacciones funcionen.
Sus planes de futuro, avanza Ana Carmen Albéniz Jiménez, son seguir desarrollando nuevos catalizadores más eficaces que funcionen a temperaturas más bajas, modificando su diseño para seguir avanzando en la preparación de compuestos químicos de forma más sostenible. «Queremos, además, aplicar estos catalizadores en el campo de la energía, en particular, en el transporte y almacenamiento del hidrógeno verde en compuestos químicos de manera reversible», concluye.