Diseño, Preparación y Evaluación de Nuevas Mezclas Eutécticas y Acuosas Para la Síntesis de Materiales Mediante Procesos de Química Verde

Abstract

En cualquier proceso sintético enfocado a la obtención de materiales es preciso controlar tres parámetros fundamentales, que determinarán el éxito de dicha síntesis en términos de rendimiento, selectividad, morfología y/o funcionalidad. Estos tres parámetros son: (1) precursores, (2) catalizadores y (3) agentes directores de estructura de los materiales. En los trabajos recogidos en esta memoria se estudia el papel de las mezclas eutécticas o DESs (de sus siglas en inglés, Deep Eutectic Solvents) como (1) precursores y (2) catalizadores en los procesos sintéticos en los que participan. Por otro lado, se profundiza en el diseño y evaluación de nuevas mezclas acuosas que, mediante el uso de la metodología ISISA (de sus siglas en inglés, Ice Segregation Induced Self-Assembly), donde el hielo actúa como (3) agente director de estructura, permiten la preparación de materiales biocompatibles y de naturaleza híbrida para fines biomédicos. El marco de referencia donde se sitúan estos trabajos es la Química Verde. Los DESs se engloban dentro de los líquidos iónicos (ILs) como una categoría especial (ya que contienen especies que no están cargadas), y se definen de una manera genérica como fluidos compuestos por dos o tres componentes baratos y seguros que son capaces de auto-asociarse, dando lugar una mezcla con un punto de fusión más bajo que el de sus componentes por separado. Las interacciones que permiten este descenso del punto de fusión de la mezcla son de tipo puente de hidrógeno que se forman entre un dador de hidrógeno y un aceptor, generalmente una sal de amonio cuaternario. Además, como las propiedades físicas, químicas y biológicas de estos líquidos dependen fuertemente de sus componentes y la cantidad de compuestos susceptibles de formar DESs es prácticamente ilimitada, es posible, por lo tanto, adaptar y diseñar eficazmente cada DES y sus propiedades para cada aplicación específica. Si bien estas mezclas fueron descritas como disolventes alternativos a los tradicionales disolventes orgánicos, en la actualidad las aplicaciones de los DESs van más allá de ser simples disolventes, destacando su papel como materiales funcionales en sí mismos o como sistemas multicomponente para la síntesis de materiales. En esta última área destacan las investigaciones realizadas en el grupo de Materiales Bionspirados del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM) donde se ha estudiado y desarrollado el uso de mezclas eutécticas como sistemas “todo en uno” o multicomponente para la síntesis de carbones nanoporosos de estructura jerárquica, o para la síntesis de polímeros de naturaleza acrílica o elastomérica con actividad farmacológica o médica. Por último, es necesario mencionar el papel “verde” o sostenible ligado a los DESs (más relevante que en los ILs), bien por la naturaleza de sus componentes (en general, compuestos no tóxicos y, además, en muchos casos abundantemente presentes en la naturaleza), bien mediante el uso de los propios DESs como materiales funcionales para la eliminación de contaminantes en distintas matrices ambientales, o bien por el papel que juegan en los procesos sintéticos en que participan, al facilitar el cumplimiento de los principios de la química verde. En los trabajos experimentales realizados durante esta tesis basados en el uso de DESs se realiza el diseño y la evaluación de nuevas mezclas eutécticas para su aplicación como, por un lado, (1) catalizadores bifuncionales, en ausencia de disolventes, en la síntesis de un polímero biodegradable, así como para la formación de carbonatos; y, por otro lado, como sistemas “todo en uno” que actúan simultáneamente como (2) precursores de polímero y suministradores de moléculas farmacológicamente activas, además de como medio de reacción de la policondensación. Por otra parte, se ha descrito el proceso de Autoensamblado Inducido por Segregación de Hielo o metodología ISISA como un proceso bottom-up criogénico, sencillo y versátil, adecuado para la preparación de estructuras tridimensionales macroporosas de una gran variedad de materiales de distinta naturaleza a partir de hidrogeles, disoluciones o dispersiones acuosas. Así, en los trabajos experimentales realizados durante esta tesis se realiza el diseño, la preparación y la evaluación de una serie de soluciones o suspensiones acuosas con sustratos de naturaleza diversa, (orgánicos e inorgánicos), para la preparación de nuevos composites/scaffolds biocompatibles, utilizando el hielo (la metodología ISISA) como (3) agente director de estructura y permitiendo también el cumplimiento de los principios de la química verde. El trabajo desarrollado durante esta tesis doctoral es, por tanto, multidisciplinar, pudiendo englobarse dentro de las áreas de química, ciencia de materiales y aplicaciones farmacológicas o médicas.