Desarrollan una forma eficiente de hidrogenar compuestos aromáticos que contienen nitrógeno

La reducción exitosa del impacto ambiental de la industria de fabricación de productos químicos depende de encontrar una forma más ecológica de fabricar los componentes químicos de los compuestos comunes y de consumo masivo.

No es ningún secreto que los procesos de fabricación tienen algunos de los efectos más impactantes e intensos en el medio ambiente, y la industria de fabricación de productos químicos encabeza las listas tanto de consumo de energía como de producción de emisiones. Si bien esto tiene sentido gracias a la gran escala en la que los productos químicos fabricados están involucrados en la vida diaria, todavía deja mucho que desear en aras de la sostenibilidad.

Al centrarse en fuentes de energía renovables y 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 el Revista de la Sociedad Química Estadounidense el 7 de octubre.

El foco principal de este estudio son las aminas cíclicas, ya que son los componentes más importantes de la química fina. Estos compuestos están dispuestos en un 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, proporciona el marco para muchos materiales, como medicamentos, pesticidas y materiales cotidianos aprobados por la FDA que se utilizan en la vida de muchas personas.

Los métodos típicos para añadir hidrógeno a una amina cíclica que contiene nitrógeno implican el uso de gas hidrógeno como fuente de protones y electrones. El proceso de hidrogenación se basa en hidrógeno obtenido mediante el reformado con vapor de metano, uno de los principales gases de efecto invernadero.

Este método no sólo consume mucha energía, sino que también es responsable de alrededor del 3% de las emisiones globales de dióxido de carbono. Este proceso también depende en gran medida de los combustibles fósiles y requiere una gran cantidad de energía. Afortunadamente, los investigadores han encontrado una manera de solucionar este problema mediante el desarrollo de un electrolizador de membrana de intercambio aniónico (AEM).

Un electrolizador AEM permite la hidrogenación de diferentes tipos de piridinas a temperatura y presión ambiente, sin tener que utilizar aditivos ácidos como en los métodos tradicionales. El electrolizador funciona para dividir el agua en sus componentes, hidrógeno atómico y oxígeno. A continuación se añade el hidrógeno atómico obtenido al compuesto cíclico.

El electrolizador AEM también demuestra una gran versatilidad con otros aromáticos que contienen nitrógeno, lo que lo convierte en un camino prometedor para un amplio conjunto de aplicaciones. Además, al desarrollar un método que pueda usarse a temperaturas y presiones ambientales, la energía eléctrica necesaria para el proceso se reduce drásticamente.

«El método ofrece un potencial significativo para aplicaciones a escala industrial en productos farmacéuticos y productos químicos finos, contribuyendo a la reducción de las emisiones de carbono y avanzando en la química sostenible», dijo Naoki Shida, primer autor del estudio e investigador de la Universidad Nacional de Yokohama.

Este proceso utiliza agua y electricidad renovable como fuente de energía, en contraste con la dependencia de combustibles fósiles del método convencional. La eficiencia no se ha visto comprometida con este método y el rendimiento porcentual a gran escala es del 78 %, lo que confirma aún más que esta tecnología puede ser razonablemente escalable.

Un problema que podría surgir es un aumento en el voltaje de la celda durante el proceso de electrólisis, pero esto se puede mitigar mediante un AEM mejorado o, preferiblemente, diseñando un AEM teniendo específicamente en cuenta la electrosíntesis orgánica.

Para que la tecnología de hidrogenación electrocatalítica se popularice y marque la diferencia, debe ser escalable a escala industrial para que la utilicen las empresas farmacéuticas y de química fina. Cuanto más se utiliza esta tecnología, más fácil será su transición para su uso con otros compuestos aromáticos que contienen nitrógeno, lo que expresa aún más la practicidad del proceso de hidrogenación electrocatalítica.

Idealmente, este método se establecería como la alternativa a los métodos tradicionales utilizados en la industria química y, en el futuro, reduciría la huella de carbono general que deja la fabricación de productos químicos.

El Instituto de Investigación de Radiación Sincrotrón de Japón hizo posible esta investigación.