Efectos de la radiación microondas. Aplicación a química en flujo y funcionalización de nanotubos de carbono.
Resumen
El trabajo desarrollado y descrito en la presente Memoria para optar al grado de Doctor Europeo en Ciencias Químicas puede dividirse en tres partes claramente diferenciadas. En la primera parte se ha realizado un amplio estudio de las características y los efectos de la radiación microondas sobre las reacciones químicas orgánicas. En este contexto se ha realizado un estudio sobre la reproducibilidad y escalado en reactores monomodo y multimodo de varias reacciones en ausencia de disolvente previamente descritas en hornos domésticos sin un adecuado control de la temperatura y presión. El rango de transformaciones estudiadas muestra que la reproducibilidad y el escalado entre diversos tipos de reactores microondas pueden ser extrapolados a otras reacciones en ausencia de disolvente cuando hay un control total de la temperatura de reacción. Además, se ha podido observar que, en condiciones de ausencia de disolvente, se puede reproducir y escalar las reacciones que están controladas por la temperatura independientemente de la polaridad del proceso. Además, en esta primera parte se han realizado varios estudios con la idea de contribuir al esclarecimiento de posibles efectos térmicos y no térmicos de la radiación microondas. Las ventajas inherentes a la calefacción microondas están en la actualidad ampliamente aceptadas. No obstante, existen trabajos en los cuales el empleo de microondas como fuente de energía produce cambios en la regio-, quimio- y estereoselectividad o bien modificaciones en el mecanismo de reacción, permitiendo el acceso a productos diferentes a los obtenidos con calefacción convencional. Muchos autores postulan que dichos efectos son debidos a inhomogeneidades en el campo o la presencia de puntos calientes. Sin embargo, otros autores postulan la existencia de efectos específicos no térmicos debidos a la interacción directa del campo electromagnético con moléculas polares presentes en el medio de reacción y que no están relacionados con la temperatura macroscópica del sistema. Así, se ha utilizado el Efecto Isotópico Cinético como medida de los posibles efectos no térmicos en una reacción de eliminación de 2-fenilbromoetano. También se ha estudiado la presencia de efectos microondas no térmicos en la síntesis de nucleósidos por el método de fusión. En la segunda parte se describe mi estancia predoctoral desarrollada en el Innovative Technology Center (ITC, University of Cambridge). Esta parte se centra en el desarrollo de una nueva tecnología microondas basada en la Química en flujo y su puesta a punto con diferentes reacciones de gran importancia en rutas sintéticas de productos con aplicación farmacológica. Además, se inició la síntesis en flujo de Ramipril, un importante fármaco dentro del top 100 más vendidos. En la tercera parte se ha realizado un amplio estudio de la reactividad de nanotubos de carbono, especialmente SWNTs, bajo microondas usando principalmente dos reacciones ampliamente conocidas en condiciones clásicas. Así, la radiación microondas permite la funcionalización de SWNTs mediante una cicloadición 1,3-dipolar de iluros de azometino en 1 hora. En condiciones clásicas son necesarios 5 días para la funcionalización. De igual manera, se consiguió la adición radicálica de sales de diazonio a SWNTs bajo irradiación microondas con resultados similares a los previamente descritos en la literatura en condiciones clásicas. Finalmente, se realizaron las dos reacciones en serie, completado así una doble funcionalización de los nanotubos. En este sentido, para conseguir la máxima eficacia en la introducción de dos agrupaciones distintas a SWNTs, primero se debe de realizar la cicloadición 1,3-dipolar y, posteriormente, la adición de radicales de arilo, ya que de hacerlo a la inversa la adición satura los centros reactivos dejando poco espacio para la cicloadición.