Un equipo del Instituto de Tecnología Química (ITQ), centro mixto del CSIC y la Universitat Politècnica de València (UPV), ha desarrollado un nuevo método para producir epóxidos, compuestos esenciales en la fabricación de plásticos, fármacos, detergentes o fragancias, sin utilizar disolventes ni catalizadores tóxicos. El proceso, que ha sido patentado, ha sido publicado en la revista Nature Communications.

El procedimiento sustituye completamente el uso habitual de agua oxigenada y metales como el titanio o el vanadio. Según la investigadora Judit Oliver, “gracias a este proceso, cabe la posibilidad de eliminar tanto el agua oxigenada como los aditivos y el disolvente empleados hasta ahora en la industria, sustituyéndolo todo por aire simplemente”. Esto permitiría, además, “reducir los costes de producción en más de un 50 por ciento”.

Qué son los epóxidos y por qué son importantes

La epoxidación de alquenos es una reacción fundamental en la industria química, en la que un alqueno (es decir, una molécula orgánica formada por carbono e hidrógeno) se transforma en un epóxido, que es compuesto muy reactivo que es muy útil en muchas reacciones químicas e industriales.

Por ejemplo, se suelen utilizar en la producción de plásticos y resinas epoxi (polímeros de gran resistencia y versatilidad utilizados en la construcción, la informática o la automoción), así como en la fabricación de productos farmacéuticos, detergentes, fragancias y sabores.

Al respecto, Antonio Leyva Pérez, experto del CSIC en el ITQ (UPV-CSIC) y coautor de la investigación, ha explicado lo siguiente: “Tenemos que imaginar que los alquenos son como piezas de Lego hechas solo de carbono e hidrógeno, con un ‘doble enlace’ entre dos de sus átomos de carbono. Ese doble enlace es una especie de punto débil, donde la molécula es más reactiva".

"La epoxidación es la reacción química que toma esas piezas de Lego, los alquenos, y les añade un átomo de oxígeno para formar una estructura de tres átomos, dos de carbono y uno de oxígeno. El resultado es un nuevo compuesto, el epóxido, mucho más reactivo y versátil, una pieza clave que de hecho abre muchas puertas en el ámbito de la química”, añade.

Hasta ahora, uno de los métodos más comunes para obtener epóxidos es la epoxidación catalítica, un proceso químico en el que los alquenos consiguen el átomo de oxígeno a partir del peróxido de hidrógeno, lo que se conoce comúnmente como agua oxigenada.

Sin embargo, para que este done el átomo de oxígeno a los alquenos es necesario la utilización de catalizadores, donde se emplean metales como el vanadio o el titanio, que actúan como ‘mediadores moleculares’ para convertir los alquenos en epóxidos.

Ahora bien, este nuevo método desarrollado por el ITQ permite obtener epóxidos sin utilizar catalizadores, lo que hasta este momento se consideraba inviable hasta ahora.

Cómo funciona el nuevo método

El sistema desarrollado en el ITQ prescinde por completo de metales y disolventes. Solo necesita alquenos y aire u oxígeno. La reacción puede producirse de tres formas: con aire a presiones moderadas (entre 3 y 5 bares), con aire a temperatura ambiente, o bien aplicando oxígeno y calor, en un rango entre 100 y 200 grados.

Según indican sus responsables, este proceso puede llevarse a cabo en un matraz común abierto al aire durante varias horas, lo que permite aumentar significativamente la producción actual. En estas condiciones, los alquenos entran en reacción generando radicales, unas especies químicas muy reactivas que pueden activar el oxígeno presente en el aire.

Como resultado, se forma un superóxido, que es un tipo de radical libre o molécula con un electrón despareado (sin otro electrón en la misma región de alrededor del núcleo de un átomo) en su estructura. Este superóxido reacciona con los alquenos previamente activados, generando un compuesto intermedio que, al combinarse con más oxígeno, da como resultado final un epóxido.

Aplicación industrial y ventajas

Además de su sencillez y bajo coste, el nuevo método puede aplicarse a una amplia variedad de alquenos, incluidos los que provienen de la biomasa. También se puede integrar directamente en procesos industriales existentes, como la fabricación de polímeros, lubricantes o medicamentos.

“Esto abre nuevas oportunidades para la síntesis en un solo paso o one-pot, en la que todos los reactivos se combinan en un solo recipiente sin necesidad de aislar los productos intermedios”, indica Susi Hervàs Arnandis, investigadora predoctoral cuya tesis ha dado lugar a este trabajo.

El método es fácilmente escalable, ya que puede combinarse con otros procesos de síntesis en un solo reactor, y cuenta con un bajo coste operativo porque necesita menos etapas, menos materiales y equipos más simples que los utilizados tradicionalmente para obtener la misma reacción.

“Con el escalado a nivel industrial se pueden sustituir los reactores específicos que se utilizan para agua oxigenada por otros más sencillos, obteniendo un proceso más seguro, más sostenible y más económico”, indica Antonio Leyva Pérez sobre esta investigación cuyos resultados han sido protegidos mediante la patente número P202430625.