El CO2, materia prima de un futuro sostenible

El CO2 se puede transformar en una gran variedad de productos. Más del 90% de los compuestos orgánicos se derivan de combustibles fósiles, aunque solo entre el 5-10% de esta demanda corresponde a la obtención de crudo. La utilización de CO2 permite que éste se utilice como fuente de carbono para obtención de combustibles fósiles al mismo tiempo que se trabaja en usos del CO2 para crear sustancias aprovechables. Sin embargo, la baja reactividad de la molécula de CO2 hace necesario que se requieran procesos catalizados para transformarla.

Entre los distintos procesos catalizados, la síntesis de carbonatos cíclicos a partir de CO2 es una de las metodologías más prometedoras. Esta reacción implica hacer reaccionar el CO2 con epóxidos en presencia de catalizadores. Entre los distintos productos de reacción, podemos obtener carbonatos cíclicos y policarbonatos, ambos con un elevado valor añadido (ver esquema ‘Reacción catalizada entre CO2 y epóxidos’).

En esta reacción, tanto el catalizador seleccionado como el estudio de las condiciones de trabajo adecuadas permitirá decantar la reacción hacia el producto deseado con elevada selectividad y rendimiento.

Los carbonatos cíclicos son productos químicos industriales importantes que tienen diversas aplicaciones: disolventes ecológicos, en baterías de iones de litio, pinturas y revestimientos, resinas, precursores de materiales poliméricos y procesado de polímeros en química fina. Los dos carbonatos cíclicos más utilizados industrialmente son el carbonato de etileno y el carbonato de propileno, pero hay otros más especializados que también tienen un alto interés comercial.

Así, por ejemplo, la reacción de carbonato de etileno con metanol permite la obtención de dimetilcarbonato (DMC) como ruta alternativa libre de fosgeno (ver esquema ‘Obtención de dimetilcarbonato (DMC) a partir de carbonato cíclico’).

Alternativa segura

El dimetilcarbonato (DMC) es un producto de alto valor añadido que se utiliza como una alternativa segura, no corrosiva y medioambientalmente aceptada para su empleo como agente de metalación y carbonilación. Además, la síntesis de dimetilcarbonato a partir de la reacción de CO2 con metanol también representa una ruta alternativa libre de fosgeno más económica y amigable que la síntesis industrial llevada a cabo por carbonilación oxidativa de metanol con monóxido de carbono, cuya mezcla de reacción es tóxica y muy inflamable.

Otras reacciones de interés a partir de carbonato cíclico son la preparación de poliuretanos y la síntesis tradicional de policarbonatos a partir de alcoholes (ver esquema ‘Reacciones de productos de interés a partir de carbonato cíclico’).

No menos importantes son los policarbonatos que conforman un grupo de materiales termoplásticos que son ampliamente utilizados en la actualidad. Estos polímeros también se pueden obtener por copolimerización entre la molécula de CO2 y epóxidos en presencia de un catalizador apropiado (ver esquema ‘Reacción catalizada entre CO2 y epóxidos’). El CO2 se utiliza como materia prima en la fabricación de estos polímeros incorporándose hasta un 50% en su estructura molecular. Los polipropilencarbonatos son productos relativamente nuevos en el mercado y se consideran biopolímeros. Dado su interés, existe una investigación continua en explorar sus distintas aplicaciones en función de su peso molecular, permitiendo el desarrollo de nuevas tecnologías y diseño de catalizadores apropiados para la reacción entre dióxido de carbono y otros monómeros que permitan obtener nuevos polímeros con interés en el mercado.

Reducción de efecto invernadero

Otros polímeros sintetizados a partir de CO2 y también muy utilizados son los polioles basados en polipropilencarbonato que llegan a incorporar alrededor de un 20% de CO2 en su estructura. Su demanda está aumentando a nivel mundial. Estos polioles tienen un alto valor añadido al contribuir a la reducción del efecto invernadero y pueden ser utilizados para la fabricación de poliuretano que se emplea en la fabricación de adhesivos, pinturas y revestimientos, elastómeros, composites de madera y equipamiento médico, entre otros.

La reacción de acoplamiento de CO2 con epóxidos para obtener carbonatos es una de las más estudiadas en la química de transformación de CO2. El interés radica en las múltiples aplicaciones de los carbonatos cíclicos orgánicos que se obtienen y en la sencillez del proceso si se dispone de catalizadores activos, selectivos, estables y recuperables. Fundamentalmente, se utilizan catalizadores de metales de transición en procesos homogéneos. Esta investigación se desarrolla tanto en universidades como en instituciones (centros tecnológicos), aunque este proceso es también objeto de interés industrial. Varias compañías comercializan carbonatos cíclicos mediante este procedimiento y existen ya diversas patentes en el tema.

Los catalizadores homogéneos están constituidos por complejos organometálicos en los que el metal se encuentra enlazado a ligandos orgánicos. Ejemplos de catalizadores homogéneos activos para esta reacción son los de cobalto con ligandos tipo N,N'- bis(salicilideno)etilendiamina (salen). El primer catalizador descrito para esta copolimerización fue descrito por Inoue en 1969. Los catalizadores heterogéneos descritos para esta reacción están constituidos por materiales inorgánicos, entre los que se engloban los basados en óxidos, Zn glutaratos y catalizadores de cianuro de metal doble (DMC).

Conclusiones

En resumen, el CO2 se podría definir como la materia prima de un futuro sostenible, ya que se considera un gas barato y no tóxico que permite sustituir otras sustancias tóxicas como el fosgeno o los isocianatos para obtener productos de alto valor añadido como son los carbonatos cíclicos y los poliuretanos, respectivamente.

La producción de nuevas sustancias químicas a partir de CO2 tiene hoy en día un impacto positivo aunque de pequeña contribución en el balance de la sostenibilidad, por lo que el estudio de las reacciones químicas en las que el dióxido de carbono puede utilizarse como materia prima sigue siendo un reto y a la vez una gran oportunidad de negocio. Aún nos queda mucho por hacer y aprender.