Química sostenible: investigadores desarrollan un método para reducir la huella de carbono de la industria química
Una forma eficaz de hidrogenar compuestos aromáticos que contienen nitrógeno
El éxito de la reducción del impacto ambiental de la industria de fabricación de productos químicos depende de encontrar una forma más ecológica de fabricar los componentes químicos básicos de los compuestos más comunes y de consumo masivo.
El reactor de membrana de intercambio aniónico hidrogenará la piridina en piperidina.
Yokohama National University
No es ningún secreto que los procesos de fabricación tienen algunos de los efectos más impactantes e intensos sobre el medio ambiente, y que la industria de fabricación de productos químicos encabeza las listas de consumo de energía y de emisiones. Si bien esto tiene sentido gracias a la gran escala a la que los productos químicos manufacturados intervienen en la vida cotidiana, sigue dejando mucho que desear en aras de la sostenibilidad. Centrándose en las fuentes de energía renovables y en métodos alternativos para crear los componentes químicos de algunos de los compuestos más utilizados, los investigadores esperan reducir la huella de la industria de fabricación de productos químicos con alguna innovación ecológica.
Los investigadores publicaron sus resultados en la revista Journal of the American Chemical Society el 7 de octubre.
El estudio se centra en las aminas cíclicas, que son los componentes básicos más importantes de la química fina. Estos compuestos están dispuestos en forma de anillo y, en este caso, tienen un átomo de nitrógeno. Una de las estrellas del espectáculo es la piridina, que da paso a la piperidina, una amina cíclica de importancia clave en la industria de la química fina. La piperidina, por ejemplo, constituye el armazón de muchos materiales como fármacos aprobados por la FDA, pesticidas y materiales cotidianos utilizados en la vida de muchas personas.
Los métodos habituales para añadir hidrógeno a una amina cíclica que contiene nitrógeno implican el uso de hidrógeno gaseoso como fuente de protones y electrones. El proceso de hidrogenación se basa en el hidrógeno obtenido mediante el reformado al vapor del metano, uno de los principales gases de efecto invernadero. Este método no sólo consume mucha energía, sino que además es responsable de alrededor del 3% de las emisiones mundiales de dióxido de carbono. Además, este proceso depende en gran medida de los combustibles fósiles y requiere una gran cantidad de energía. Afortunadamente, los investigadores han encontrado una solución desarrollando un electrolizador de membrana de intercambio aniónico (AEM).
Un electrolizador AEM permite hidrogenar distintos tipos de piridinas a temperatura y presión ambiente, sin tener que utilizar aditivos ácidos como en los métodos tradicionales. El electrolizador trabaja para dividir el agua en sus componentes, hidrógeno atómico y oxígeno. A continuación, el hidrógeno atómico obtenido se añade al compuesto cíclico. El electrolizador AEM también demuestra una gran versatilidad con otros compuestos aromáticos que contienen nitrógeno, lo que lo convierte en una vía prometedora para un amplio conjunto de aplicaciones. Además, al desarrollar un método que puede utilizarse a temperaturas y presiones ambiente, la energía eléctrica necesaria para el proceso disminuye drásticamente.
Según Naoki Shida, primer autor del estudio e investigador de la Universidad Nacional de Yokohama, "el método ofrece un potencial significativo para aplicaciones a escala industrial en productos farmacéuticos y química fina, contribuyendo a la reducción de las emisiones de carbono y al avance de la química sostenible".
Este proceso utiliza agua y electricidad renovable como fuente de energía, lo que contrasta con la dependencia de los combustibles fósiles del método convencional. La eficiencia no se ha visto comprometida con este método y el porcentaje de rendimiento a gran escala es del 78%, lo que confirma que esta tecnología puede ser razonablemente escalable. Un problema que puede surgir es el aumento del voltaje de la célula durante el proceso de electrólisis, pero esto puede mitigarse mejorando el AEM o, preferiblemente, diseñando un AEM que tenga en cuenta específicamente la electrosíntesis orgánica.
Para que la tecnología de hidrogenación electrocatalítica se imponga y marque la diferencia, tiene que ser escalable a escala industrial para que las empresas farmacéuticas y de química fina puedan utilizarla. Cuanto más se utilice esta tecnología, más fácil será la transición a otros compuestos aromáticos que contengan nitrógeno, lo que pone de manifiesto la viabilidad del proceso de hidrogenación electrocatalítica. Lo ideal sería que este método se convirtiera en la alternativa a los métodos tradicionales de la industria química y, con el tiempo, redujera la huella de carbono que deja la fabricación de productos químicos.
Naoki Shida, Mahito Atobe, Yugo Shimizu, Akizumi Yonezawa, Juri Harada, Yuka Furutani y Yusuke Muto, del Departamento de Química y Ciencias de la Vida de la Universidad Nacional de Yokohama, con Naoki Shida y Mahito Atobe, también del Instituto de Ciencias Avanzadas de la Universidad Nacional de Yokohama, y Naoki Shide, de PRESTO, de la Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón, Ryo Kurihara y Kazuhide Kamiya, del Centro de Investigación de Química Solar de la Universidad de Osaka, Junko N. Kondo, del Instituto de Investigación Innovadora del Instituto Tecnológico de Tokio; Eisuke Sato, Koichi Mitsudo y Seiji Suga, de la División de Química Aplicada de la Universidad de Okayama; Shoji Iguchi, de la Escuela de Postgrado de Ingeniería de la Universidad de Kioto; y Kazuhide Kamiya, de la División de Ciencia de Catálisis Innovadora de la Universidad de Osaka.
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Publicación original
Naoki Shida, Yugo Shimizu, Akizumi Yonezawa, Juri Harada, Yuka Furutani, Yusuke Muto, Ryo Kurihara, Junko N. Kondo, Eisuke Sato, Koichi Mitsudo, Seiji Suga, Shoji Iguchi, Kazuhide Kamiya, Mahito Atobe; "Electrocatalytic Hydrogenation of Pyridines and Other Nitrogen-Containing Aromatic Compounds"; Journal of the American Chemical Society, 2024-10-7
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