Autores:  Bellatin, L.; Meza, R.; Salazar, F.

Introducción

Es sabido que, en las últimas décadas, el rol de la química verde ha cobrado relevancia en el quehacer de la química en el laboratorio y la industria; pero, dentro de las técnicas desarrolladas para acercarnos a los doce principios enunciados por Anastas y Warner, pocas tuvieron tanta atención como la aplicación de la radiación microondas. ¿Están entendidos los mecanismos por los que lo consigue? ¿de qué manera hace más verde los procesos?, ¿tiene alguna limitación, o es la técnica definitiva? ¿cuál es su situación actual?

Síntesis del tema

El desarrollo de la química verde ha permitido innovar procesos más limpios y de menor impacto ambiental y para la salud. Los doce principios de la química verde, propuestos por Anastas y Warner en 1998, introdujeron un cambio radical en la mentalidad de quienes se dedican a la síntesis de sustancias químicas: la importancia de un proceso limpio es equiparable a la del rendimiento o eficiencia de este.

Desde la década de 1990 ha habido cambios sustanciales en los procesos para sintetizar sustancias en concordancia con los doce principios. Uno de ellos es la introducción de los equipos que emplean radiación microondas como fuente de energía. Si bien los primeros equipos para síntesis por microondas se asemejaban a los que se utilizan en los hogares, actualmente son más sofisticados (figura 1) y permiten trabajar con diversos volúmenes de muestras, inclusive en el rango de los mililitros (0,2 – 20 mL) [1] (figura 2).

Para más información acerca del funcionamiento del calentamiento en la síntesis por microondas, ver: “Conventional vs Microwave Heating”, disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=6zlOy8TRyuc.

Figuras 1 y 2: Sintetizador por microondas Biotage®. Imágenes obtenidas de: https://www.biotage.com/product-page/biotage-initiator.

Exploremos a continuación un par de ejemplos de síntesis asistidas por microondas:

• En 1908 comenzó la producción comercial de pectinas en Alemania. Las pectinas se encuentran en las mermeladas y derivados de frutas que se han elaborado desde hace siglos. Además, es un coloide por excelencia que tiene la propiedad de absorber una gran cantidad de agua y son utilizadas ampliamente en la industria de los alimentos como agentes gelificantes. El método convencional de extracción es engorroso: involucra lavados, hervido de cáscaras, secado en estufas, hidrólisis ácida a pH 2 y 60 °C, filtración y concentración por evaporación, y precipitación con etanol 96°. En 2016, en la universidad de Lisboa, Portugal; se extrajo pectina mediante un método innovador, utilizando solo agua como medio de dispersión y microondas como fuente de energía: “hidrodestilación por microondas” [2].
• El biodiesel tiene muchos méritos como recurso de energía renovable, ya que permite aliviar la dependencia de combustibles derivados del petróleo, y además tiene un perfil de emisiones de combustión más favorable. Una síntesis de biodiesel parte de un litro de aceite usado que debe mezclarse con metóxido de sodio (producido primero a partir de metanol e hidróxido de potasio en una reacción violenta), y ser calentado a 55 °C por una hora. En el departamento de ingeniería química de la universidad del Cairo – Egipto, se utilizó radiación microondas para sintetizar biodiesel (sin modificar el procedimiento convencional): se incrementó la velocidad de reacción (pasó de 150 minutos a 2 minutos), ya que no se requería un pretratamiento, y se facilitó el proceso de separación [3].

¿Cuáles principios de la química verde se evidencian en estos dos ejemplos?

Menores tiempos de reacción, incrementando la eficiencia en el uso de energía (principio 6) y empleo de solventes benignos (principio 5) [4].

Otras aplicaciones de la síntesis con microondas incluyen: intensificación de procesos aplicados a microrreactores catalíticos [5], esterificación con fines didácticos [6], polimerización de derivados del ácido acrílico [7], etc.

Para una explicación de la aplicación de la radiación microondas en la síntesis orgánica, ver: “Microwave Synthesis in Action”, disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=5E5OIMeVBTs.

 Pareciera entonces que la síntesis por microondas, dadas las ventajas mencionadas y el tiempo transcurrido desde su aparición, debería tener una presencia universal en los laboratorios de síntesis química. Se muestra a continuación una gráfica con el número de publicaciones respecto a la síntesis asistida por microondas (figura 3):

Figura 3: Publicaciones en síntesis asistida por microondas (1986-2017). En azul se muestra el número de artículos en siete revistas importantes. En rojo se muestra el número de publicaciones que reportan experimentos con un control adecuado y reactores dedicados (Imagen de Kappe, 2018 [8]).

La disminución en el número de publicaciones es evidente desde el año 2008. La presencia de los sintetizadores por microondas no se encuentra tan extendida como se pensó, a inicios del siglo XXI, que estarían.

¿Cuál es la razón más importante para esto?

La respuesta es, de cierta manera, obvia: su poca aplicabilidad a síntesis de gran escala, como síntesis industriales o incluso de volúmenes intermedios. A pesar de los grandes avances conseguidos en los últimos años, la naturaleza de la síntesis en batch imposibilita el rendimiento en cantidades industrialmente aceptables (mayores a las 100 toneladas por año). A esto se le suma la pérdida de una característica importante de la síntesis asistida por microondas: los perfiles de calentamiento y enfriamiento rápidos. Además, por razones de seguridad, no puede alcanzarse los mismos niveles de presión y temperaturas altos en reactores muy grandes [9].

Estas limitaciones no son difíciles de prever, por lo que cabe preguntarse: ¿vale la pena insistir con una tecnología que se sabe será inaplicable a una mayor escala (principal responsable de la contaminación)? ¿no podrían haberse invertido las últimas décadas en innovación y desarrollo de otras tecnologías?

 ¿Es la síntesis por microondas omnipotente, o es ya obsoleta?

Creemos que ninguna. Las falencias de la técnica son evidentes, pero no puede negarse la importancia que sigue teniendo, especialmente en la industria farmacéutica. Respecto a los principios de la química verde, la síntesis asistida por microondas ofrece ventajas que los métodos alternativos actuales, como la reacción por flujo continuo, no puede ofrecer (como el uso de agua como solvente y ahorro energético). Sigue la búsqueda de la tecnología más verde posible, tanto en la síntesis de laboratorio como en la síntesis industrial.

Referencias

[1]        Biotage. Biotage® Initiator+. Disponible en:

https://www.biotage.com/product-page/biotage-initiator. Consulta: 01 de mayo del 2019.

[2]        Fidalgo, Alexandra; et al. “Eco-Friendly Extraction of Pectin and Essential Oils from Orange and Lemon Peels” ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2016, 4(4), pp. 2243-2251.

[3]        Shakinaz A. El Sherbiny; et al. “Producion of biodiesel using the microwave technique” Journal of Advanced Research. 2010. 1, pp. 309-314.

[4]        Dallinger, Doris; Kappe, Oliver. “Microwave-Assisted Synthesis in Water as Solvent”. Chemical Reviews. 2007. 107 pp. 2563-2591.

[5]        Cecilia, R; et al. “Possibilities of process intensification using microwaves applied to catalytic microreactores” Chemical Engineering and Processing. 2007. 46 pp. 870-881.

[6]        Reilly, Maureen K.; et al. “Microwave-Assisted Esterification: A Discovery-Based Microscale Laboratory Experiment”. Journal of Chemical Education. 2014. 91 pp. 1706-1709.

[7]        Sinnwell, Sebastian; Ritter, Helmut. “Recent Advances in Microwave-Assisted Polymer Synthesis”. Australian Journal of Chemistry. 2007. 60 pp. 729-743.

[8]        Kappe, Oliver. “My Twenty Years in Microwave Chemistry: From Kitchen Ovens to Microwaves that aren’t Microwaves”. The Chemical Record. 2018. 18 pp. 1-26.

[9]        Morschhäuser, Roman; et al. “Microwave-assisted continuous flow synthesis on industrial scale”. Green Processing and Synthesis. 2012. 1 pp. 281-290.