Síntesis y propiedades de líquidos iónicos soportados (sillps). Aplicaciones en biocatálisis

Resumen

El objetivo de esta tesis es sintetizar una serie de líquidos iónicos soportados (SILLPs) con materiales poliméricos específicos para su aplicación en biocatálisis y estudiar sus propiedades para establecer relaciones estructura-propiedad. En el primer tema, se describe la preparación de distintos materiales monolíticos derivados de divinilbenceno, en los que se llevó a cabo la cuaternización de un nitrógeno del imidazol, con el fin de luego conseguir adsorber en los mismos a distintas proteínas, para lo cual como caso modelo se he estudiado el comportamiento de la azoalbumina. En el segundo tema, se ha llevado a cabo la preparación de una serie de soportes poliméricos por reacción de derivados de imidazol con resinas de poliestireno comercialmente accesibles. Se ha inmovilizado en este tipo de materiales la lipasa de Candida antarctica B (CAL-B), cuya caracterización y aplicación en la síntesis de biodiesel ha sido estudiada en un medio orgánico como el tert-butanol, así como en un disolvente neotérico como el dióxido de carbono supercrítico. En el tercero, se describe la combinación de la técnica de microondas con un proceso enzimático empleando la CAL-B inmovilizada en líquidos iónicos soportados para la resolución cinética de alcoholes secundarios. Satisfactoriamente, se han conseguido alcanzar buenas selectividades y conversiones, así como demostrar el potencial de esta combinación para llevar a cabo un proceso de resolución cinética dinámica en combinación con un catalizador ácido. En el cuarto, se ha estudiado el empleo de biocatalizadores preparados con soporte de poliestireno-divinilbenceno en reacciones de formación de nitroalcoholes. Este es un campo de especial auge en estos días, y que se engloba dentro del campo d la promiscuidad catalítica. Se ha estudiado por tanto la reacción entre aldehídos aromáticos y nitroalcanos, obteniéndose los correspondientes nitroalcoholes en rendimientos variables dependiendo del catalizador empleado. Se ha explorado la inhibición y desnaturalización del enzima, para comprobar que este tipo de procesos se desarrollan a través de mecanismos de catálisis inespecífica, donde los aminoácidos que no pertenecen al centro activo del enzima tienen un relevante papel en la obtención de los productos finales. En el quinto tema, se describe la síntesis de polímeros quirales a través de reacciones de polimerización de líquidos iónicos quirales y posterior modificación conveniente. Estos materiales han sido caracterizados rigurosamente empleando muy diversas técnicas, con el fin de ser aplicados como catalizadores de reacciones aldólicas en distintos medios de reacción, ya sea con agua como disolvente o bien con estas en cantidades minoritaria o incluso en su ausencia. Así, se han conseguido obtener los correspondientes aldoles con buenos excesos enantioméricos al emplear disolventes polares en ausencia de agua, mostrando un comportamiento catalítico similar a la de una enzima aldolasa por su estructura tridimensional bien definida. Las conclusiones generales que se han obtenido en este trabajo de investigación, se detallan a continuación: ¿ Se ha sintetizado y caracterizado una nueva familia de SILLPs monolíticos empleando LIs como agentes porogénicos alternativos a las mezclas convencionales de disolventes orgánicos. De este modo, se ha diseñado polímeros macroporosos adaptados a las características estructurales de los LIs, en los que es posible obtener grupos clorometilados mediante la co-polimerización de DVB y ClVB o mediante anclaje de ClVB por grafting en la superficie de los polímeros de PDVB para transformarlos posteriormente en alquil imidazolios. Como resultado, se han obtenido polímeros macroporosos con potencial aplicación para soportar biomoléculas grandes como la azoalbúmina, las cuales pueden ser adsorbidas eficientemente por estos monolitos, pues se ha absorbido una mayor cantidad de proteína que la que comúnmente obtenida con los soportes tradicionales para biomoléculas. ¿ Se han sintetizado y caracterizado SILLPs mediante procesos de modificación química de resinas Merrifield, de una manera simple y eficiente, introduciendo grupos funcionales de tipo imidazolio, pero variando tanto la cantidad de LI soportado, como la longitud de la cadena del grupo alquilante (en posición N3) y el sustituyente (en posición C2, R1¿H); la morfología del polímero de partida: polímeros tipo gel y macroporosos, polímeros tipo RASTA; el grado de entrecruzamiento de los polímeros (baja y alta carga de las resinas); y la naturaleza del contraión (Cl- o NTf2-), obteniendo diferentes tipos de SILLPs con propiedades y características particulares. ¿ Se ha evaluado las propiedades de estos SILLPs como soportes para la inmovilización de la lipasa Cándida Antárica B, optando por los SILLPs de cadenas alquílicas largas (decilo en posición N3) por ser el tipo de imidazolio en el que se consigue mayor adsorción de lipasa, debido su afinidad hacia los grupos lipídicos. También se ha estudiado la adsorción de CALB en un soporte de poliestireno-divinilbenceno sin fase líquida de LI. ¿ Con los biocatalizadores preparados anteriormente, se han desarrollado una serie de aplicaciones biocatalíticas en condiciones no convencionales. Se ha estudiado la viabilidad de estos catalizadores en la síntesis de biodiesel en flujo continuo con CO2 supercrítico, la resolución cinética y la resolución cinética dinámica de rac-1-feniletanol asistida por irradiación microondas, en las que fue posible que el biocatalizador trabaje con actividades altas, siempre y cuando la morfología polimérica y la cantidad de LI soportado sean los adecuados (SILLPs con carga baja de LI). De esta forma, se obtuvieron altos rendimientos y quimio- y regioselectividades en el caso de la resolución del rac-1-feniletanol. Estos biocatalizadores pudieron ser reutilizados durante muchos ciclos de reacción, demostrando su estabilidad en medios agresivos gracias a la capa protectora de LI en la matriz polimérica. ¿ Se han desarrollado nuevas metodologías para la preparación de líquidos iónicos poliméricos solubles (PILs) con elementos de quiralidad, explorando técnicas de polimerización radicalaria controlada (PRC) basadas tanto en la polimerización por transferencia de cadena mediante la adición y fragmentación reversible (RAFT) como en la polimerización inducida por la transferencia radicalaria de átomo (ATRP). ¿ Se ha estudiado la relación estructura-propiedad de los PILs y la influencia que estos parámetros tienen sobre su actividad catalítica en las reacciones de formación de enlace C-C, como la reacción aldólica. La reacción modelo consistió en la obtención de un aldol mediante la mezcla de p-nitrobenzaldehído y acetona, utilizando varios disolventes polares como medio de reacción. Se pudo obtener un sistema activo y selectivo en las reacciones aldólicas en agua y en presencia de agua, de modo que el aumento de la actividad catalítica parece estar relacionado con la quiralidad del catalizador. Referencias Bibliograficas 1. Lozano, P.; Garcia-Verdugo, E.; Bernal, J. M.; Izquierdo, D. F.; Burguete, M.I; Sanchez-Gomez, G.; Luis, S. V., Immobilised Lipase on Structured Supports Containing Covalently Attached Ionic Liquids for the Continuous Synthesis of Biodiesel in scCO2. ChemSusChem 2012, 5, 790-798. 2. Izquierdo, D. F.; Bernal, J. M.; Burguete, M.I.; García-Verdugo, E.; Lozano, P.; Luis, S. V., An efficient microwave-assisted enzymatic resolution of alcohols using a lipase immobilised on Supported Ionic Liquid-like Phases (SILLPs). Royal Society of Chemistry, 2013.