Síntesis, propiedades, caracterización y aplicaciones químicas de novedosos disolventes eutécticos profundos: DES (Deep Eutectic Solvents)

Abstract

Les mescles de baix punt de fusió o mescles eutèctiques denominades DES per les sigles en anglès (Deep Eutectic Solvents), són bàsicament preparades a partir de compostos acceptors de ponts de hidrogen, els anomenats HBA, (en general una sal d'amoni quaternària), i donadors de ponts d'hidrogen (HBD) com són alcohols, àcids, amines i carbohidrats; que formen sistemes que contenen una àmplia varietat d'espècies catiòniques i / o aniòniques regides per interaccions de pont d'hidrogen que presenten una baixa energia d'enllaç, causant dels baixos punts de fusió que aquestes presenten. Aquesta és una de les característiques importants a l'hora d'emprar els diferents tipus de DES, pel que fa a el tipus de reacció i / o procés sintètic; per exemple, aquests dissolvents eutèctics han estat àmpliament utilitzats i estudiats en processos d'extracció de biomassa, síntesi de polímers, catàlisi, electroquímica, síntesi de nano partícules, entre d'altres.

En el present treball, es presenta la preparació de nous solvents eutèctics de base biològica a partir de glicerol (Gly), el qual va ser obtingut mitjançant la hidròlisi de greixos animals no comestibles i després emprat per sintetitzar l'alcohol 3- cloro-1,2-propanodiol, que és el precursor del compost racèmic: clorur de rac-2,3-dihidroxipropiltrietilamonio: [Et3N+CH2CH(OH)CH2OH]Cl- (DPTAC). Dit compost es va sintetitzar emprant el 3- cloro-1,2-propanodiol, trietilamina i metanol. El compost (DPTAC), que inicialment va ser obtingut en forma de barreja racèmica, va ser transformat en un compost enantiomèricament enriquit mitjançant un procés d'acetilació quimioenzimàtica i d'acetilació directa emprant acetat d’isopropilè, per tal de separar la mescla racèmica. De la mateixa manera, es va obtenir el clorur de S - (-) 2,3-dihidroxipropiltrietilamoni, partint de l'alcohol precursor òpticament pur (2a). Totes aquestes sals van ser acetilades directament amb anhídrid acètic. Tots ells van ser emprats com HBA per preparar diferents mescles eutèctiques (DES). Així, es van emprar tres compostos de base biològica: glicerol (Gly), àcid làctic (LA) i urea com HBD per formar cadascuna de les mescles. Finalment, l'etilenglicol (7) va ser també utilitzat per formar un DES concret. És important destacar que el disseny d'aquests dissolvents es va dur a terme utilitzant l'estratègia de "disseny modular" en què cada DES conté un HBA de diferent naturalesa i propietats. Inicialment, es presenta l'estudi de les propietats físiques (viscositat, densitat, relació estequiomètrica, entre d'altres) de cada DES. Posteriorment, s'estudia la seva funció com a dissolvents en diferents processos químics. Els DES preparats van ser utilitzats com a dissolvents en el procés de fraccionament i extracció de material ligno-cel·lulòsic en diferents mostres de biomassa de fusta dura, com són la sansa, i la poda de branques (de tipus llenyós) d'arbres fruiters. Els resultats van mostrar que es pot extreure lignina tipus Klasson i es recuperen fraccions riques en holocel·lulosa utilitzant cada un dels DES.

Els DES preparats van ser també utilitzats per estudiar la seva influència sobre la formació dels adductes endo:exo, en reaccions típiques de ciclació [4π + 2π] tipus Diels-Alder, entre el ciclopentadiè i acrilat d'etil o acrilat de butil.

D'altra banda, amb base en els requeriments del procés, van ser seleccionats els DES adequats per ser utilitzats com a mitjans de reacció en la reacció d'obtenció d'alcohols quirals secundaris mitjançant la reducció de cetones pro-quirals en presència de NaBH4. La riquesa enantiomèrica dels alcohols produïts es va estudiar emprant un reactiu de derivatització quiral (reactiu de Mosher). D'aquesta manera es va estudiar la configuració absoluta de l'alcohol: 1-feniletanol (12) (obtingut com a producte de la reacció anterior).

A més, van ser realitzats assajos preliminars per valorar la possibilitat de reciclar els DES obtinguts. Per a això, els DES inicials, preparats entre el compost racèmic (DPTAC) amb els quatre compostos HBD van ser fraccionats, fent ús d'una resina de bescanvi catiònic fort, per tal de comprovar que la facilitat amb què aquests són separables; a més de ser reusables i reciclables. Condicions que ha de complir un solvent perquè pugui ser considerat dins de la categoria "Green Solvents"; tenint en compte que els materials de partida per a la formació de les mescles eutèctiques gairebé són íntegrament compostos de base biològica.

Tots els compostos precursors i els DES preparats van ser caracteritzades per FT-IR i tècniques d'espectroscòpia de 1H i 13C RMN; el compost racèmic va ser analitzat mitjançant espectrometria de masses; la proporció entre els adductes formats en les reaccions de Diels-Alder, va ser estudiada utilitzant cromatografia de gasos GC-FID (230 ° C i 270 ° C). L'activitat òptica i l'angle de rotació específica van ser mesurats en els compostos enantiomèricament enriquits i òpticament purs. Finalment, la separació de cada DES, realitzada mitjançant columnes de bescanvi catiònic, va ser seguida per FT-IR i 1H RMN.

Las mezclas de bajo punto de fusión o mezclas eutécticas denominadas DES por sus siglas en inglés (Deep Eutectic Solvents), son básicamente mezclas preparadas a partir de compuestos aceptores de puentes de hidrógeno llamados HBA, (generalmente sales de amonio cuaternarias) y donantes de puentes de hidrógeno de diferente naturaleza (HBD), por ejemplo, alcoholes, ácidos, aminas y carbohidratos; que forman sistemas que contienen una amplia variedad de especies catiónicas y/o aniónicas regidas por interacciones, principalmente de puentes de hidrógeno, que presentan una baja energía de enlace que causan los bajos puntos de fusión que estas presentan. Precisamente, esta es una de las características importantes a la hora de emplear los diferentes tipos de DES, dependiendo del tipo de reacción y/o proceso sintético. Por ejemplo, estos disolventes eutécticos han sido ampliamente utilizados y estudiados en procesos de extracción de biomasa, síntesis de polímeros, catálisis, electroquímica, síntesis de nanopartículas, entre otros.

En el presente trabajo se presenta la preparación de diferentes novedosos disolventes eutécticos de base biológica, a partir de glicerol (Gly). Este glicerol fue obtenido mediante la hidrólisis y trans-esterificación de grasas animales no comestibles, y luego empleado para sintetizar el alcohol 3-cloro-1,2-propanodiol, que es el precursor del compuesto racémico de interés: el cloruro de rac-2,3-dihidroxipropiltrietilamonio: [Et3N+CH2CH(OH)CH2OH]Cl-, [C9H22N+O2]Cl- o (DPTAC). Dicho compuesto se sintetizó empleando el cloroalcohol obtenido, trietilamina y metanol. El compuesto (DPTAC) que inicialmente fue obtenido en forma de mezcla racémica, fue transformado en un compuesto enantiomericamente enriquecido mediante un proceso de acetilación quimioenzimática y de acetilación directa empleando acetato de isopropileno, con el fin enriquecer enantiomericamente este compuesto racémico. Además, se obtuvo el cloruro de S-(-)-2,3-dihidroxipropiltrietilamonio (S)-(-)-(DPTAC), partiendo del alcohol precursor ópticamente puro. Estas sales fueron acetiladas directamente con anhídrido acético y empleadas como componente HBA, en presencia de tres compuestos de base biológica: glicerol (Gly), ácido láctico (LA) y urea que actuaron como compuesto HBD en la formación de cada una de las mezclas eutécticas (DES). Además, el etilenglicol (EG) fue también utilizado para formar otro DES concreto. Es importante tener en cuenta que, el diseño de estos disolventes se realizó empleando la estrategia de “diseño modular” para que cada DES contenga un HBA de naturaleza y propiedades diferentes.

En este trabajo es presentado el estudio de las propiedades físicas (viscosidad, densidad, relación estequiométrica, entre otras) de cada DES. Posteriormente, se estudió su empleo como disolventes en diferentes procesos químicos; donde, los DES preparados fueron utilizados como disolventes en el proceso de fraccionamiento y extracción de material ligno-celulósico en diferentes muestras de biomasa de madera dura como son: el orujo de oliva, y la poda de ramas (de tipo leñoso) de árboles frutales. Los resultados mostraron la obtención de lignina tipo Klasson y de fracciones ricas en holocelulosa utilizando cada uno de los DES. Asimismo, los DES preparados fueron utilizados para estudiar su influencia sobre la formación de los aductos endo:exo, en reacciones típicas de ciclación [4π+2π] tipo Diels-Alder, entre el ciclopentadieno con acrilato de etilo y acrilato de butilo. Por otra parte, con base en los requerimientos del proceso, fueron seleccionados los DES adecuados para ser utilizados como medios de reacción, en la obtención de alcoholes quirales secundarios mediante la reducción de cetonas pro-quirales en presencia de NaBH4. La riqueza enantiomérica de los alcoholes producidos se estudió empleando un reactivo de derivatización quiral (reactivo de Mosher). De esta manera se estudió la configuración absoluta del alcohol: 1-feniletanol (12) (obtenido como producto de la reacción anterior).

Low melting mixtures or Deep eutectic mixtures called DES (Deep Eutectic Solvents) are prepared from hydrogen bond acceptors called HBA, (usually a quaternary ammonium salt), and different hydrogen bond donors (HBD) for example alcohols, acid amines, and carbohydrates; form systems that contain a wide variety of cationic and/or anionic species governed by hydrogen bonding interactions that present low binding energy, causing their low melting points. This is one of the important characteristics when using the different types of DES, in terms of the type of reaction and/or synthetic process; for example, these eutectic solvents have been widely used and studied in biomass extraction processes, polymer synthesis, catalysis, electrochemistry, nanoparticle synthesis, among others.

This work presents the preparation of several novel bio-based eutectic solvents from glycerol (Gly), which was obtained by hydrolysis and trans-esterification of inedible animal fats and then used to synthesize alcohol 3-chloro-1,2-propanediol, which is the precursor of the racemic compound: rac-2,3-dihydroxypropyltriethylammonium chloride: [Et3N+CH2CH(OH)CH2OH]Cl- (DPTAC). This compound was synthesized using the mentioned chloro-alcohol, triethylamine, and methanol. Compound (DPTAC) that was initially obtained as a racemic mixture, was transformed into an enantiomerically enriched compound employing chemoenzymatic acetylation and direct acetylation process using isopropylene acetate to separate the racemic mixture. Similarly, S-(-)-2,3-dihydroxypropyltriethylammonium chloride was obtained starting from the optically pure precursor alcohol. All these salts were acetylated directly with acetic anhydride. All of them were used as HBA to prepare different eutectic mixtures (DES). Thus, three bio-based compounds were used: glycerol (Gly), lactic acid (LA), and urea as HBD to form each of the mixtures. Finally, ethylene glycol (7) was also used to form a specific DES. It is important to note that the design of these solvents was carried out using the strategy of "modular design" in which each DES contains an HBA of different nature and properties.

Initially, the study of the physical properties (viscosity, density, stoichiometric ratio, among others) of each DES is presented. Subsequently, their use as solvents in different chemical processes is also studied, the DES prepared were used as solvents in the process of fractionation and extraction of lignocellulosic material in different samples of hardwood biomass, such as olive pomace, and pruning of branches (woody type) of fruit trees. Results showed the obtaining of Klasson-type lignin and fractions rich in holocellulose using each of the DES. DES prepared were used to study their influence on the formation of endo: exo adducts, in a typical [4π + 2π] Diels-Alder type cyclization reactions, between cyclopentadiene with ethyl acrylate and butyl acrylate.

On the other hand, based on the process requirements, suitable DES were selected to be used as reaction media to obtain chiral secondary alcohols by reducing pro-chiral ketones in the presence of NaBH4. The enantiomeric richness of the alcohols produced was studied using a chiral derivatization reagent (Mosher's reagent). In this way, the absolute configuration of the alcohol was studied: 1-phenylethanol (12) (obtained as a product of the previous reaction). In addition, preliminary tests were carried out to assess the possibility of recycling the DES obtained. For this reason, the initial DES prepared between the racemic compound (DPTAC) with the four HBD compounds were fractionated using a strong cation exchange resin to verify the ease with which they are separable; besides, being reusable and recyclable. Conditions that a solvent must meet to be considered within the “Green Solvents” category. Taking into account that the starting materials for the formation of eutectic mixtures are almost entirely bio-based compounds.

All the precursor compounds and DES prepared were characterized by FT-IR and 1H and 13C NMR spectroscopy techniques; the racemic compound was analyzed by mass spectrometry; the proportion between the adducts formed in the Diels – Alder reactions was studied using GC-FID gas chromatography (230 ° C and 270 ° C); Optical activity and specific angle of rotation were measured on enantiomerically enriched and optically pure compounds. Finally, the separation of each DES, carried out using cation exchange columns and followed by FT-IR and 1H RMN.