QUÍMICA VERDE: USO DE RECURSOS RENOVABLES Lluvia I. López*, Leticia Barajas, Catalina Pérez y Aidé Sáenz.

Departamento. de Química Orgánica. Facultad de Ciencias Químicas. Universidad Autónoma de Coahuila. Blvd. V. Carranza, 25000. Saltillo, Coahuila, México. Correo electrónico: *[email protected]

RESUMEN El uso de materias primas renovables en lugar de agotables en la producción de energía, materiales novedosos y compuestos químicos constituye uno de los principios que persigue la Química Verde. En el presente trabajo se presenta la clasificación general de las principales fuentes de recursos naturales renovables de origen vegetal y animal. Así como sus aplicaciones principales en la industrial.

1. INTRODUCCIÓN La química ha sido fuente de bienestar y comodidad para el ser humano, y se prevé que este papel protagonista seguirá en el futuro. Los servicios ofrecidos por la química obviamente han cobrado su precio con procesos contaminantes y energéticamente poco eficientes. Debido a ello, se ha abierto paso a la Química Verde, una forma de hacer química cuya prioridad es el respeto al medio ambiente. La Química Verde se define como el diseño de productos y procesos químicos, que reduzcan o eliminen el uso y generación de sustancias peligrosas. Se basa en 12 principios, los cuales proponen indicadores precisos y modos de actuar claros respecto a la producción y manejo de productos químicos. Uno de los principios que persigue la Química Verde es el uso de materia prima renovable en vez de agotable, siempre que sea técnica y económicamente viable [1].

2. MATERIAS PRIMAS RENOVABLES Se entiende por recurso no renovable, como aquel que tiene ciclo de vida mucho mayor comparado con el de la vida humana, los cuales deben ser preservados para asegurar la calidad de vida de las generaciones futuras. En contraste, los recursos renovables se definen como aquellos productos de siembra y cosecha vegetal o animal, o productos naturales de la tierra, el agua, el aire y el sol. Una manera general de clasificación de los recursos renovables es en vegetales y animales [1].

2.1 RECURSOS VEGETALES La madera y los componentes que la constituyen forman el principal recurso vegetal renovable, los cuales tienen grandes aplicaciones en la producción de nuevos materiales. Sin embargo, las plantas anuales y principalmente

los residuos de cosecha han cobrado importancia como fuente de materia prima renovable. Otra importante fuente vegetal renovable es la biomasa marina que provee polisacáridos con múltiples aplicaciones.

2.1.1 MADERA La materia prima renovable más abundante de los vegetales es la madera, la cual se compone principalmente por celulosa, otros componentes en menor proporción pero no menos importantes son las ligninas, hemicelulosas, suberina, taninos, resinas de la madera y terpenos. La celulosa es de especial interés en el diseño de nuevos materiales con propiedades funcionales específicas, en la modificación de la superficie de las fibras con aplicación en componentes de alta tecnología y en el uso de nanofibras. Estas aplicaciones relacionadas con los avances recientes en la modificación química de la celulosa en particular sobre condiciones homogéneas [3]. Las ligninas forman parte de la matriz amorfa de la madera caracterizada por una estructura irregular en comparación con la celulosa. Las ligninas son empleadas principalmente como agentes dispersantes y emulsificantes en la industria agroquímica y de alimentos para animales [5]. Las hemicelulosas son polisacáridos caracterizados por una irregularidad macromolecular comparada con la estructura de la celulosa. Su uso es particularmente importante en la industria alimenticia, farmacéutica y cosmética como aditivos [3]. El término “taninos vegetales” es usado para definir una amplia clase de compuestos químicos de naturaleza fenólica. Su estructura está formada por oligómeros de polihidroxiflavonas (Figura 1). El uso de taninos es amplio resaltando como adhesivos (de madera), aditivos en vinos, cerveza y jugos de frutas. Además, se ha encontrado aplicación en la industria farmacéutica debido a que se han descrito poseer actividades antimicrobianas y anticancerígenas [4]. (OH)

(OH)

OH

OH CH3 HO

HO

O

O OH

OH

H3C

OH

OH CH3

CH3

Figura 1. Dos unidades monoméricas encontrados en los taninos. Los terpenos son metabolitos secundarios sintetizados principalmente por plantas, y de manera limitada por insectos, microorganismos marinos y hongos. El esqueleto común de los terpenos es el isopreno (2-metil-1,4-butadieno) y de acuerdo a las unidades de isopreno se clasifican como hemiterpenos, monoterpenos, sesquiterpenos, diterpenos, sesterpenos, triterpenos, tetraterpenos y politerpenos. La turpentina (resina de pino) es una fuente importante de monoterpenos. La turpentina se ha usado como materia prima natural en el diseño sintético de antifúngicos como el Tanito y Toxafeno [3]. El aceite de pino sintético es preparado por la hidratación de α-pineno con ácido mineral acuoso (Figura 2), el cual es usado principalmente en los productos de limpieza y desinfección del hogar. La turpentina también

ha sido fuente en la preparación de saborizantes y fragancias como el linalol, nerol y geraniol. Además, los politerpenos son usados como adhesivos particularmente los poli(pinenos) [3]. CH3

CH3

CH3 H3C

CH3

CH3

+ H C CH3

H3C

C H3C

+

OH CH3

H3C

CH3

Figura 2. Conversión de α-pineno a aceite de pino sintético.

2.1.2 PLANTAS ANUALES La producción de alimentos para consumo humano ha sido el interés principal en el cultivo de plantas anuales. No obstante, ha emergido su uso y el de sus residuos como fuente renovable importante en la producción de biocombustibles. Sin embargo, las aplicaciones son numerosas en este campo de la industria. El almidón es un polisacárido abundante en tubérculos y cereales. Está compuesto por dos macromoléculas teniendo la misma unidad 1,4-D-glucopiranosa con una arquitectura lineal y ramificada. La principal aplicación del almidón o sus derivados es en la producción de adhesivos o aditivos en la industria del papel. Los aceites vegetales y grasas animales se han usado en la producción de recubrimientos, tintas, lubricantes y agroquímicos. Además, son fuente en la preparación de poliuretanos, poliamidas, poliesteramidas, poliésteres y poli(hidroxialcanoatos). Los mono y disacáridos se han usado de manera tradicional como edulcorantes. Sin embargo, se ha estudiado su aplicación como precursores de materiales novedosos, por ejemplo en la conversión de fructosa a hidroximetil furfural, en la síntesis de materiales policondensados y en la preparación de surfactantes. Por otro lado, los carbohidratos son una importante fuente natural para la construcción de polímeros biodegradables, especialmente son aplicación biomédica, debido a sus propiedades inherentes de biocompatibilidad y biodegradabilbidad y en el diseño de polímeros ópticamente activos conteniendo centros quirales en unidades repetidas.

2.1.3 ALGAS La biomasa marina constituye una fuente interesante de precursores para materiales novedosos. Los polisacáridos derivados de ciertas algas como los alginoatos, han sido explotados como materiales polielectrolitos.

2.2 RECURSOS ANIMALES No sólo los recursos vegetales constituyen una fuente de recursos renovables, se han usado como materia prima diversos compuestos de origen animal con importantes aplicaciones.

2.2.1 QUITINA Y QUITOSANO La quitina es el segundo polisacárido más abundante en la naturaleza después de la celulosa. La quitina es un polisacárido lineal formada por unidades de N-acetil-2-amino-2-desoxi-D-glucosa con unión β(1→4) (Figura 3). El quitosano es producto de la desacetilación de la quitina a altas temperaturas y en condiciones básicas fuertes. La principal fuente de quitina industrial son la cubierta y caparazones de camarones, cangrejos y langostas, los cuales son desechos de la industria pesquera. Los desechos de estos crustáceos constituyen entre el 20-30% de quitina. OH

OH O

H CH3 OH

CH3

CH3

NH

CH3 H

H3C

O

CH3

O

O

O OH

CH3

CH3

NH

CH3

CH3

c

O

CH3

Figura 3. Estructura de la quitina. El quitosano tiene una amplia aplicación en el campo de la medicina debido a su biocompatibilidad, biodegradabilidad y baja toxicidad. Se desarrollan bandas e hilos de sutura biodegradable, matriz en el diseño de drogas y en materiales ortopédicos.

2.2.2 PROTEÍNAS Las proteínas son polímeros naturales constituidos por 20 aminoácidos. Su estructura se ha descrito en cuatro niveles como primaria (secuencia de aminoácidos), secundaria (conformación), terciaria (uniones en la cadena polipeptídica) y cuaternaria (asociación específica de múltiples cadenas polipeptídicas). La proteína de soya, caseína y gluten han sido investigadas como materiales potenciales en la fabricación de películas para ser usadas como envolturas de alimentos. Otras aplicaciones desarrolladas son como adhesivos y plásticos.

2.2.3 POLÍMEROS DE BACTERIAS Los polihidroxialcanoatos son producidos por varias bacterias y representan un importante grupo de plásticos biodegradables. Las aplicaciones de estos compuestos están en investigación [1]

2.2.4 CELULOSA BACTERIANA La celulosa no sólo se encuentra como componente principal de la madera. Este polímero natural puede ser sintetizado por la bacteria Glucanacetobacter xylinus. La celulosa bacteriana tiene numerosas aplicaciones en cosméticos como estabilizantes y emulsificantes. Además de han desarrollado materiales altamente absorbentes en

textiles artificiales, ropa deportiva y materiales de campismo. Otras aplicaciones son en el tratamiento de basura, ultrafiltración del agua, en la producción de piel artificial temporal para la terapia de quemados y úlceras.

3. CONCLUSIÓN El uso de materia prima renovable no es nuevo en la historia de la química, sólo que hoy día se le tiene que dar el enfoque con principio en los lineamientos de la Química Verde, es decir hacer el uso de materia prima renovable en vez de agotable siempre que sea tecnológicamente costeable y amigable con el medio ambiente y con el hombre. Se puede encontrar en la literatura numerosas aplicaciones en la industria y en el diseño de materiales novedosos y de procesos químicos que hacen uso de materia prima tanto de origen vegetal como animal.

4. BIBLIOGRAFÍA 1. Anastas, P.T. 1998. Green chemistry, theory and practice. Oxford University Press, New York. EPA, DFE. "Doce principios de la química verde", en www.epa.gov/dfe/greenchem, 2002 2. Belgacem, M.N.; Gandini, A. 2008. Monomer, Polymers and Composites from Renewable Resources. First edition, Elsevier. 3. Alberto, R.M. 1989. Fragrance and Flavours Chemicals. Pulp Chemical Association, New York. 4. Yang, L.-L.; Wang, C.-C. Plant Poliphenols. 2a. Ed. Academic/Plenum Publishers, New York. 5. Boudet A.M. 2000. Lignins and lignifications. Plant Physiol. Biochem. 38:81-96. 6. Gallezot, P. 2007. Green Chem., 97: 247-302.