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Ciencia y salud

Por José Antonio Lozano Teruel

Alternancia disolvente

En un mundo en el que el respeto medioambiental debiera ser fundamental sigue siendo normal el uso generalizado y masivo, en multitud de procesos industriales, de disolventes orgánicos tóxicos o contaminantes. Estos disolventes son muy volátiles, lo cual origina no solo grandes gastos, sino una gran contaminación ambiental a gran escala. Más de la tercera parte de los disolventes que utiliza la industria en todo el mundo "se pierden en el aire". ¿Puede ofrecer la Ciencia alguna alternativa?

La primera, es obvia, pero imposible: impedir su uso. La segunda sería la de utilizar, con exclusividad, el agua como disolvente. Sin embargo, la ya citada necesaria sensibilidad medioambiental ha hecho extremar el rigor respecto a la eliminación de los desechos acuosos, de modo que, en los países desarrollados, puede darse la circunstancia de obtener el agua necesaria de un río, no utilizarla, y no poder retornarla al cauce, por superar los límites legales permitidos de contaminantes. La tercera posibilidad estaría basada en una tecnología que fue tratada en estas páginas muy recientemente: el uso como disolventes de fluidos supercríticos, como el dióxido de carbono, en adecuadas condiciones de presión y temperatura. Y la, por ahora, última alternativa, casi inexplorada y desconocida, pero con un enorme potencial, aparece con el descubrimiento de las sales líquidas, que podrían revolucionar los procesos industriales y, al mismo tiempo, contribuir a limpiar el medio ambiente.

QUÍMICA VERDE. La catástrofe de la fábrica de pesticidas de la Union Carbide en Bhopal, India, en diciembre de 1984, constituyó un gran revulsivo respecto a la necesidad de intensificar las precauciones en las industrias químicas. Murieron más de 3.500 personas y, transcurridos más de 16 años, un reciente informe de Greenpeace señala que aun existe una fuerte contaminación en ciertas áreas del terreno afectado. Por ello, en los últimos años se va extendiendo el nuevo concepto de química verde, con una mayor preocupación por todos los aspectos relacionados con la seguridad, y con el desarrollo de nuevas tecnologías que aseguren que las reacciones químicas producirán menos desechos y contaminaciones. Dos de sus objetivos primordiales serían los de desarrollar nuevos y más eficaces catalizadores y la sustitución de los disolventes orgánicos por alternativas más seguras. En general se entiende como Química Verde el diseño, la manufactura y el uso de sustancias químicas y procesos que reducen o eliminan el uso o la generación de residuos y productos nocivos para el medio ambiente o la salud humana.

Las reacciones químicas son fáciles de realizar cuando los reactantes son líquidos con lo que sus moléculas interaccionan fácilmente. Cuando algún reactante es sólido se acude a los disolventes. Durante casi 2.000 años de conocimientos químicos, en grado más o menos desarrollado, la química se basó en el uso del disolvente agua, abundante y barato. Pero el agua no es un disolvente universal. Por ello, en el siglo XIX, se introdujeron otros disolventes que posibilitaron la obtención de miles de nuevos compuestos, desde la margarina a los plásticos. Principalmente fueron disolventes orgánicos, que se utilizan sobre todo en industrias de síntesis, como la petroquímica y la farmacéutica y dan lugar a un volumen de ventas de unos 6.000 millones de euros al año. Su elevada presión de vapor les hace ser muy evaporables, aparte de su generalizada toxicidad e inflamabilidad. Frecuentemente son difíciles de reutilizar o reciclar y cuando se descomponen hasta dióxido de carbono contribuyen a incrementar el efecto invernadero. Por ello, cuando a partir del Protocolo de Montreal se prohibió el uso de muchos disolventes, se derivó la necesidad de reestructurar muchos procesos químicos que venían funcionando satisfactoriamente desde hace más de un siglo.

SALES IÓNICAS. El concepto de líquido iónico suele asociarse al de alta temperatura, debido a que las sustancias iónicas (como la sal común, el cloruro sódico) están formadas por iones muy pequeños cargados eléctricamente, con cargas eléctricas de distinto signo, lo que hace que exista una gran fuerza de atracción entre ellos. Y para romper esos enlaces iónicos hace falta una temperatura muy alta, frecuentemente superior a los 800 ºC. Ello les imposibilita el ser disolventes de moléculas orgánicas, sensibles al calor.

Los científicos han encontrado la solución. Consiste en fabricar sales formadas de iones muy asimétricos y de gran tamaño, de modo que sus fuerzas atractivas sean débiles. Las consecuencias inmediatas son las de una baja temperatura de fusión (son líquidos a temperaturas normales), una mínima presión de vapor (no son volátiles, no se evaporan a la atmósfera, se pueden reciclar) y como solo se usa una parte de sus posibilidades atractivas para enlazarse a los iones vecinos, el resto puede utilizarse para atraer (disolver) a otros compuestos, es decir, son disolventes de tales compuestos. Por otra parte se pueden calificar de "disolventes de diseño", ya que variando las características de los iones participantes se pueden fabricar billones de combinaciones diferentes, una cantidad inmensa comparada con los menos de 300 disolventes orgánicos más usados en la industria química. Ello significa la posibilidad de poder disolver, con el disolvente iónico adecuado, un amplio espectro de sustancias, desde carbón, plásticos, muchos metales e, incluso, rocas. Como contraste, la poca experiencia aun existente hace que todavía sea un misterio la mayor parte de sus propiedades, aun las más básicas, como su densidad o punto de fusión.

POSIBILIDADES. Ken Seddon, catedrático de Química Inorgánica de la Queen´s University de Belfast, Irlanda del Norte es el director del QUILL (Queen University Ionic Liquid Laboratories), principal grupo investigador del mundo en este nuevo y prometedor campo de los líquidos iónicos, que actúan a temperatura ambiente y serán la base de una nueva tecnología industrial. El grupo reúne a técnicos de la industria e investigadores universitarios para desarrollar estas nuevas tecnologías en las que ya han mostrado gran interés empresas norteamericanas, europeas y surafricanas, que ayudan financieramente sus investigaciones a cambio de ser informadas sobre la marcha de las mismas.

Los líquidos iónicos son una alternativa ecológica a los disolventes moleculares, y son fácilmente reciclables. Poseen un gran número de buenas cualidades, como un punto de evaporación de 300 °C, que facilita su manipulación; un alto poder disolvente con distintas materias orgánicas e inorgánicas y polímeros y una gran solubilidad, lo que supone que se pueden utilizar en pequeños volúmenes. Además, tienen acidez tipo Brönsted, o Lewis y superacidez, no tienen casi presión de vapor, van desde los hidrófobos hasta los hidrófilos y son muy estables hasta 200° C. Por si fuera poco, son relativamente sencillos y baratos de fabricar.

Además, a diferencia del agua y de otros disolventes hidrofílicos, los líquidos iónicos se disuelven en distintas moléculas orgánicas, y los líquidos iónicos no se pierden ni se destruyen durante su uso. Los primeros trabajos de laboratorio han demostrado que, a temperatura ambiente, intervienen en diversas reacciones orgánicas catalizadas (oligomerización, polimerización, alquilación y acilación). Muchos procesos químicos normales funcionan tan bien o mejor con líquidos iónicos que con disolventes. Por ejemplo, las reacciones con catalizadores se producen a temperaturas más bajas y con mayor rendimiento. La reacción de Friedel-Crafts, un paso clave en el proceso de craqueo del petróleo, con disolventes normales, a 80° C, tarda ocho horas, con un rendimiento del 80 por 100. Por el contrario, la misma reacción, con líquidos iónicos a 0° C, se produce en 30 segundos y da un rendimiento del 98 por 100, con un producto más puro y homogéneo. Y los investigadores dicen que todas estas cualidades son solo "la punta del iceberg" y que, cuando se conozcan a fondo todas ellas, pueden resultar aplicaciones mucho más interesantes.

Una de ellas podría ser la utilización de estos disolventes orgánicos en reacciones catalizadas enzimáticamente, con lo que podría mejorarse el proceso catalítico, con un gran incremento de la eficacia y vida media de las enzimas. Unos pocos laboratorios del mundo están comenzando a trabajar en esta prometedora dirección. Entre ellos, con unos resultados preliminares muy satisfactorios, se encuentra el grupo de Biotecnología del Departamento de Bioquímica y Biología Molecular B, en la Facultad de Química de la Universidad de Murcia.