Solventes alternativos final

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Disolventes
Dra. M. Cartagena
CHEM 3370 – Química Verde
• Describir las ventajas y desventajas de los disolventes
orgánicos tradicionales utilizados en síntesis.
• Enumerar las características de cuatro tipos diferentes de
disolventes utilizados en Química Verde y para cada uno de
ellos dar un ejemplo de algún proceso en donde puedan ser
utilizados.
Objetivos
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¿Qué son disolventes?
• Son sustancias químicas que pueden disolver a un
soluto.
• Muchos disolventes que se usan en grandes cantidades
en la industria son perjudiciales para la salud o pueden
generar otros peligros, como explosiones o incendios.
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¿Dónde se usan?
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Química 
Sintética
Medios de
reacción en el
laboratorio y a
escala industrial.
Usados muy a 
menudo en “work-
ups” y purificaciones
(son más que un 
medio de reacción)
Química 
Analítica
Extracción y
preparación de
muestras
(Espectroscopía)
Fase móvil para 
cromatografías
(HPLC, TLC, etc.)
Cristalización
Recristalización para
purificar compuestos
y preparar cristales
para análisis
posteriores.
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¿Dónde y cómo se usan?
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Industrial
• Utilizan
solventes
en grandes
cantidades.
Procesos 
farmacéuticos 
• Más del 50% de
los materiales
utilizados para
estos procesos,
corresponden a
solventes
orgánicos,
algunos de los
cuales son
recuperados y
reutilizados.
Disposición 
final
• La mayoría de
los solventes
son
incinerados.
Esto causa un
gran impacto
en términos
económicos y
ambientales.
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¿Que tan tóxicos puede ser los solventes?
• Algunos disolventes conocidos pueden:
• producir toxicidades inaceptables
• tener efectos medioambientales altamente perjudiciales, por lo que deben
evitarse especialmente en la producción de fármacos.
• Algunos disolventes tóxicos:
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• utilizado en detergentes para remover manchas
tetracloruro de carbono 
• utilizado en la producción de plásticos
1,2-dicloroetano
• se usa para fabricar ciertos tipos de plásticos flexibles como 
aquellos para envolver alimentos. También se usa para darle 
resistencia al fuego a fibras y al reverso de alfombras.
1,1-dicloroeteno
• utilizado como solvente para pegamentos y pinturas, removedor de grasa y 
aceite de piezas de metal y como ingrediente de productos de uso 
doméstico tales como removedores de manchas, pegamentos y aerosoles.
1,1,1-tricloroetano
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• El carácter volátil de los disolventes orgánicos hace que
éstos se evaporen rápidamente en el aire alcanzando
concentraciones importantes en espacios confinados.
• Los riesgos mayores para el ser humano se producen por:
• la absorción de éstos a través de la piel
• y por inhalación.
• El contacto directo con la piel permite que el disolvente
pase a la sangre, causando efectos inmediatos y a más
largo plazo.
¿Que tan tóxicos puede ser los solventes?
• Utilizar disolventes que:
• no sean tóxicos
• no sean explosivos (comburentes)
• no produzcan emisiones de compuestos orgánicos volátiles
derivados de su uso como medio de reacción
• Propósito:
• Minimizar la producción de contaminantes y residuos.
• Ejemplo de disolvente verde:
• Agua – solvente universal que tiene muchas ventajas (ausencia de
inflamabilidad, ausencia de toxicidad y es seguro para el
medioambiente)
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Principio #5: Empleo de disolventes
seguros
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•VOCs - volatile organic compounds (compuestos
orgánicos volátiles)
• son contaminantes del aire y cuando se mezclan con
óxidos de nitrógeno (via radicales), reaccionan para formar
ozono (a nivel del suelo o troposférico).
La presencia de concentraciones elevadas de ozono en el
aire que respiramos es muy peligrosa.
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¿Qué son los disolventes orgánicos 
volátiles?
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• Son utilizados para:
• llevar a cabo síntesis orgánicas.
• disolver productos de consumo como pinturas, barnices, agentes
limpiadores, adhesivos, entre otros.
• Son responsables de la destrucción de la capa de ozono y
del calentamiento global.
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Disolventes orgánicos volátiles (VOCs)
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• Según Anastas y Warner:
• cuando sean empleados solventes orgánicos en reacciones químicas,
su uso debe ser minimizado y optimizado de manera que se lleve a
cabo la reacción con el menor impacto ambiental posible.
• Una de las industrias que más utiliza los disolventes orgánicos
es la industria farmacéutica.
• Es de suma importancia que esta industria pueda identificar y
utilizar disolventes alternativos que permitan minimizar los
problemas asociados a los disolventes que habitualmente se
utilizan en la preparación de ingredientes activos.
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Disolventes orgánicos volátiles (VOCs)
• Según GlaxoSmithKline, los solventes son
aproximadamente el 85% de sus desperdicios no
acuosos.
El gran problema con los disolventes orgánicos…
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Todos los residuos de solventes deben ser contenidos y tratados (ej.
incineración)
• Problema:
• Cuesta lo mismo comprarlos que disponer de ellos como residuos.
• El precio de su manejo ha aumentado constantemente en los últimos años.
• Residuos incinerables, impacto medioambiental.
• Reciclaje
• La capacidad de reciclaje de los disolventes orgánicos es limitada .
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El reemplazo de los solventes orgánicos en la 
química sintética…
• Puede ser muy difícil.
• Como medio de reacción:
• Solventes tienen un efecto sustancial en las reacciones,
permitiendo que las mismas ocurran.
• Pueden afectar:
• Rapidez de reacción
• Quimio-, regio- y estereoselectividad
• Outcome of reaction – puede no funcionar o puede hacer que se
obtenga algo totalmente diferente como producto.
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• Las alternativas a los solventes orgánicos que
mayormente se utilizan son:
• procesos libres de solventes
• química “water-based”
• fluidos supercríticos (particularmente agua y CO2)
• líquidos iónicos
• sistemas bifásicos fluorados
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Alternativas a solventes orgánicos
Reemplazar los solventes orgánicos en una
reacción pudiera hacer que se incurra en un
aumento en energía.
Solventes orgánicos:
•Proveen buena transferencia de calor y masa.
•Bajas viscosidades (buenos en reacciones cinéticas)
¡Reemplazar solventes orgánicos no 
siempre es verde!
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• Por ejemplo,
• Las compañías se han concentrado en eliminar los
solventes más tóxicos primero. Por ejemplo,
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No todos los disolventes orgánicos son 
dañinos o peligrosos…
• dioxano,
• piridina,
• metanol
• clorocarbonos,
• benceno,
• tolueno,
• hexano,
• isopropanol,
• acetato de etilo
• etanol
• 2-butanona
• limoneno
(extraído de la
cáscara de
frutas cítricas)
Reacciones con las 
diferentes
alternativas
(reemplazos) a los
solventes orgánicos
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Reacciones libres de disolvente
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Usado en la fabricación de plásticos
Reacción en fase líquida (90°C , 8 atm)
Se utiliza un catalítico que es
soluble en propeno líquido.
Muchos productos químicos de alto volumen de
producción ya se realizan sin solventes.
Ej. polimerización de propeno:
Ej. síntesis de MTBE:
(aditivo de gasolina en
USA, aditivo en gasolina
sin plomo para mejorar el
octanaje de la gasolina)
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Desventajas de las síntesis libres de 
disolventes
• Solventes son requeridos durante el “work-up” (ej.
extracción)
• Transferencia de calor muy pobre en el estado
sólido.
• La agitación puede ser un problema,
particularmente cuando los reactivos o productos
son sólidos.
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Ejemplo de síntesis combinada (libre de solvente y con 
solvente)- síntesis de terpiridina
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1 2
3
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Paso 1: Aldol - no solvente.
Paso 2: Adición Michael - no solvente.
Ambos pasos 1 y 2 son rápidos y cuantitativos,
(enEtOH, los rendimientos para los dos pasos son 
de aproximadamente 50%).
Paso 3: es el único paso que requiere de solvente, 
pero no requiere purificación de la diona que lo 
precede.
Usado en química de 
coordinación (“dyes”)
• Remoción requiere de destilación
• Residuos pueden ser difíciles de 
tratar.
• Muchos reactivos son sensitivos
al agua
• Generalmente es un disolvente
pobre para los compuestos
orgánicos.
“Water-based chemistry" - ¿el último disolvente
verde?
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Ventajas Desventajas
•No-tóxica
•Barata
•Biorenovable
•No comburente
•Alta capacidad de calor
específico
∴energía intensiva
A pesar de sus desventajas, las síntesis orgánicas con agua se 
están tornando un área de investigación muy popular.
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Ejemplo de “Water-based chemistry"
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Diels-Alder
Solvente Rapidez relativa
octano
MeOH
agua
LiCl(ac)
1
12.5
740
1800
La rapidez de reacción es mayor en agua que en disolventes
orgánicos debido a:
Efecto hidrofóbico
Efecto de sales
La rapidez de reacción es mayor en LiCl(ac) que en disolventes
orgánicos debido a:
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Agua también puede ser utilizada en sistemas
bifásicos
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Síntesis tradicional de hidroformilación:
Separación del catalítico de la cadena (≥ C8) en aldehídos es difícil.
agua
disolvente
orgánico
alqueno aldehído
catalítico
soluble en 
agua
El catalítico de Rh lleva ligandos (P(Ar)3) solubles
en agua:
catálisis occurre en la interfase
Alternativa bifásica (catálisis por transferencia de fase):
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La hidroformilación aumenta la
producción de plásticos y aumenta la
producción de detergentes.
Disolventes supercríticos("sc-fluids")
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Fluido supercrítico
Gas
Líquido
punto triple
punto crítico
Temperatura, T
Diagrama de 
fases:
Presión, P
Sólido
Tc
Pc
Por encima de Tc y Pc los
fluidos supercríticos tienen
densidades de líquidos
pero viscosidades de
gases.
H2O CO2 NH3 C2H4 C2H6 C3H8 CHF3
Tc / °C 374.2 31.1 132.4 9.2 32.2 96.7 25.9
Pc / bar 220.5 73.8 113.2 50.4 48.7 42.5 48.2
Tc puede mantenerse baja pero Pc es usualmente alta
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Tienen densidades parecidas a
las de los líquidos, lo que
permite la solubilidad de una
amplia variedad de sustancias.
SCFs son intermediarios entre líquidos y gases
Solid Liquid
Supercritical Fluid Gas
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Propiedades de CO2 supercrítico
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- Tc = 31.1 °C, Pc = 73.8 bar, ρc = 0.477 gcm-3
CO2 líquido
Vapor CO2
Sub-critical
Aproximándose al
punto crítico
En o sobre el 
punto crítico
Menisco poco
definido CO2 supercrítico homogéneo
La mayor ventaja de los disolvente sc es la facilidad con la que se 
remueven – disminuir la presión y eliminar el gas producido.
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CO2 supercrítico
• No-tóxico
• Fácil de remover (y reciclar)
• No comburente
• Baja viscosidad (rápida difusión)
• Buen solvente para gases (ej. H2)
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Ventajas Desventajas
• CO2 es barato
• Equipos de alta presión son caros y
potencialmente peligrosos
• CO2 es un disolvente pobre
• Reacciona con nucleófilos fuertes
(ej. aminas)
Usos del sc-CO2:
• extracción de cafeína del café (método tradicional utiliza CH2Cl2)
• extracción de ácidos grasos y triglicéridos de papas 
• lavado en seco (método tradicional usa percloroetileno C2Cl4)
• pintura en aerosol
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CO2 supercrítico como solvente de reacción
tiempo (hr)
c
o
n
v
e
rs
ió
n
(%
)
sc-CO2
CH2Cl2
Un área donde el scCO2 ha encontrado un particular uso es en la
hidrogenación química (principalmente porque es miscible con el H2
gaseoso)
Ej. Hidrogenación de iminas (20 x más rápido en sc-CO2 que en CH2Cl2)
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Líquidos iónicos
• Típicamente consisten de un catión orgánico (en ocasiones
una sal de amonio o de fosfonio) y un anión inorgánico.
• Usualmente solamente se consideran para ser utilizados
aquellos que son líquidos a temperatura ambiente.
• Baja presión de vapor lo hace una alternativa atractiva en
sustitución de VOCs.
N N
1. Ethylmethylimidazolium
tetrafluoroborate, [emim][BF4]
•BF4
-
2.Choline chloride/Zinc chloride
ionic liquid
N+
Me
Me
Me
OH
+
•Zn2Cl5
-
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Líquidos iónicos
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Líquidos a temperatura ambiente (large non-coordinating ions pack poorly)
Ventajas Desventajas
• Se preparan fácilmente
• Bajas presiones de vapor
• Pueden actuar como catalíticos
• Estable a altas temperaturas
• Altamente solubles
• Reciclable
• No-biodegradable
• Preocupaciones sobre su toxicidad
• Síntesis requieren del uso de haloalcanos
• Aislación del producto requiere
destilación o extracción con un solvente
orgánico
Ejemplos comunes:
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Líquidos iónicos - Arilación de Heck 
catalizada por Pd
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Procedimiento (“work-up”):
• (i) añada ciclohexano y agua
• (ii) físicamente separe en tres
componentes
• (iii) destile el ciclohexano
para obtener el producto de 
Heck
• (iv) recicle el catalítico sin la 
necesidad de extraer del 
líquido iónico
agua
líquido iónico
ciclohexano
HNEt3I
catalítico de Pd
producto
yield > 95 %
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Líquidos iónicos como medios
de reacción
• Reacciones Diels-Alder
• Reacciones de alquilación
• Reacciones de hidroformilación
• Reacciones Friedel-Crafts
• Formación de enlaces C-C mediados por Pd
• Polimerización de alquenos
• Biotransformaciones
T. Welton, Chem. Rev., 1999, 99, 2071.
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Selección de disolventes
preferidos por la compañía Pfizer
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Reemplazos de disolventes
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Conclusiones
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• Hay varias formas en las que los disolventes orgánicos
pueden ser remplazados.
• Es importante recordar que en ocasiones cambiar el
disolvente puede conllevar a un aumento en energía (mayor
calentamiento) y disolventes orgánicos se pueden necesitar
para el “work-up” /purificaciones de las reacciones.
• La elección de un disolvente verde dependerá de la
reacción a trabajar, del catalítico y del método de
separación que se utilizará para obtener el producto.
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•Describimos las ventajas y las desventajas del uso de
disolventes orgánicos.
Buena transferencia de calor y buena difusión de los
reactantes.
Fuentes potenciales de VOCs y de desperdicios; no
siempre son fáciles de recuperar/reciclar.
• Enumeramos características para las diferentes
alternativas de disolventes verdes y describimos un
proceso para cada uno.
Libre de disolvente (síntesis de terpiridina); agua como
disolvente (Diels-Alder, Hidroformilación); fluidos
supercríticos (Hidrogenación en sc-CO2); líquidos iónicos
(Heck coupling)
Resumen
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