ORQUISOS: Hacia una química más sostenible

La escasez de recursos y la consolidación del concepto de sostenibilidad como aproximación prometedora para el uso eficaz y eficiente de los recursos disponibles se han abierto camino en el campo de la química en los últimos años. Un concepto común de sostenibilidad es la recuperación y reutilización de los recursos. En química, especialmente en catálisis, la recuperación y reutilización de catalizadores sigue siendo un gran reto.

En la actualidad, la inmovilización de catalizadores en un soporte sólido insoluble en el medio de reacción es un método habitual para recuperar y reutilizar estos catalizadores. Se trata, además, de un método relativamente eficaz, rentable y con un bajo impacto medioambiental. Se han desarrollado varias aproximaciones para inmovilizar diversos tipos de catalizadores, pero han sido los organocatalizadores los que han suscitado mayor interés debido a que carecen de los problemas asociados a la inmovilización de los catalizadores organometálicos, como la lixiviación y la inestabilidad inducida por la sensibilidad.

Sin embargo, la recuperación y reutilización de los organocatalizadores inmovilizados se ve limitada principalmente por dos factores. Por un lado, se produce una disminución de la eficiencia respecto a los catalizadores en fase homogénea, debido a la interferencia que produce el soporte sólido en el catalizador. Para superar este inconveniente es necesario un espaciador adecuado para unir el catalizador al soporte sólido. Por otra parte, se puede producir su desactivación, lo que reduce el número de ciclos catalíticos, limitando así su reutilización. La desactivación puede implicar la modificación química o el bloqueo del sitio activo del catalizador. Esto último puede producirse por los productos de reacción o por subproductos de reacciones fuera del ciclo catalítico. Además, un gran número de sistemas organocatalíticos requieren el uso de aditivos que actúen como cocatalizadores, como un ácido o una base en cantidades subestequiométricas. Normalmente, estos cocatalizadores no se recuperan lo que obliga a realizar pasos adicionales de purificación para obtener el producto final puro. Por esta razón, parece más conveniente utilizar organocatalizadores bifuncionales para la inmovilización en una fase sólida, en donde una de las funcionalidades actúa como aditivo y hace innecesaria la adición de un cocatalizador.

En los últimos años, dentro del proyecto ORQUISOS (Organocatálisis asimétrica. Hacia una química más sostenible), nuestro grupo de investigación ha desarrollado dos organocatalizadores bifuncionales complementarios (uno da un enantiómero del producto final, mientras que el otro produce el enatiómero opuesto) que permiten realizar reacciones con bajas cargas catalíticas (< 1 mol%) generando productos de adición de Michael de aldehídos a β-nitroestirenos con altos rendimientos (> 91%) y excelentes excesos enantioméricos (> 97%).

Durante el desarrollo de ORQUISOS anclamos covalentemente estos catalizadores a un soporte sólido, lo que nos permitió realizar las reacciones en fase heterogénea. Estudiamos los efectos que ejercen distintos parámetros en la actividad catalítica, como la longitud y la orientación del espaciador que une al catalizador con el soporte sólido, y de esta forma logramos optimizarlos. Al realizar la reacción en fase heterogénea podemos recuperar y reutilizar los organocatalizadores soportados a través de una simple filtración, al mismo tiempo que nos permite aislar los productos finales de una forma sencilla y práctica. Los catalizadores soportados demostraron ser muy efectivos durante tres ciclos de uso. También constatamos que a partir del cuarto ciclo los rendimientos descienden, aunque la enantioselectividad de proceso permanece constante. Estudiamos las causas que generaban la pérdida de la actividad catalítica, identificando el producto de adición aldólica como el responsable de la desactivación. 

Logramos solventar este problema con un simple tratamiento del catalizador inmovilizado con una mezcla de THF:H2O:TFA (8:1:1) durante 24 horas gracias al que pudimos recuperar completamente la actividad catalítica. Esto nos permitió reutilizar el mismo catalizador durante diez ciclos con muy buenos resultados en cuanto al rendimiento, la diastereoselectividad y con una enantioselectividad prácticamente constante a lo largo de todos los ciclos (≥ 94%).  Por lo tanto, hemos desarrollado unos catalizadores heterogéneos que nos permiten acceder a bloques quirales moleculares en un solo paso de reacción y de forma sostenible. Estos bloques quirales moleculares podrían ser el punto de partida para la obtención de compuestos con potenciales actividades biológicas.

El proyecto ORQUISOS (ProID2020010082) ha sido financiado en el marco de la convocatoria de subvenciones destinadas a la realización de proyectos de I+D por organismos de investigación y empresas en las áreas prioritarias de la Estrategia de Especialización Inteligente de Canarias (RIS3) de la Agencia Canaria de Investigación, Innovación y Sociedad de la Información (ACIISI) perteneciente a la Consejería de Economía, Industria, Comercio y Conocimiento del Gobierno de Canarias. Cofinanciado por el Programa Operativo FEDER Canarias 2014-2020. Apoyo a la Investigación María del Carmen Betancourt y Molina.