El fosgeno se usa ampliamente en la producción de productos farmacéuticos, plásticos e intermedios químicos, entre otros. Sin embargo, su alta toxicidad ha llevado a la demanda de alternativas más seguras y respetuosas con el medio ambiente.

En colaboración con AGC Incorporated, los investigadores de la Escuela de Graduados en Ciencias de la Universidad de Kobe (Profesor Asociado TSUDA Akihiko y Profesor Asociado EDA Kazuo et al) han desarrollado carbonatos de fluoroalquilo, que tienen propiedades que los convierten en alternativas ecológicas a los precursores tóxicos que se utilizan actualmente en la industria química y industrias farmacéuticas. Los carbonatos de fluoroalquilo tienen una alta reactividad para sintetizar productos intermedios farmacéuticos y otras sustancias y son fáciles de procesar. Agregar flúor a los compuestos orgánicos da como resultado varias propiedades adicionales:los hace repelentes al agua y al aceite, fuertes contra el calor, la luz y los productos químicos, y cambia las reacciones químicas.

Hasta ahora, los carbonatos de fluoroalquilo han sido difíciles de producir; sin embargo, el equipo logró sintetizar grandes cantidades de forma segura, sencilla y económica utilizando el método de fotografía bajo demanda desarrollado por la Universidad de Kobe. A través de su enfoque académico único, los investigadores también revelaron algunas nuevas propiedades ocultas de los carbonatos de fluoroalquilo. Se espera que estos carbonatos puedan usarse en la academia y la industria para compuestos de alta gama.

Se obtuvieron patentes en EE. UU. (noviembre de 2021) y Japón (abril de 2022) para el proceso de foto a pedido para sintetizar carbonatos de fluoroalquilo. Los resultados de esta investigación se publicaron en línea en The Journal of Organic Chemistry el 18 de agosto de 2022.

Puntos principales

• Usando carbonatos de fluoroalquilo, se sintetizaron altos rendimientos de productos intermedios farmacéuticos (como derivados de carbamato y urea) de una manera segura y sencilla en un corto período de tiempo, requiriendo una cantidad baja de energía y produciendo pocos productos de desecho.
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• Los investigadores revelaron que los carbonatos de fluoroalquilo tienen muchas ventajas sobre el carbonato de difenilo convencional (5 millones de toneladas anuales producidas en todo el mundo):son más reactivos y es más fácil purificar el producto resultante de la reacción.
• Los carbonatos de fluoroalquilo tienen puntos de ebullición bajos y no se mezclan fácilmente con líquidos como agua y aceite. Esto significa que los productos sintetizados se pueden purificar simplemente secándolos, quedando pocos subproductos.
• Se pueden sintetizar grandes cantidades de carbonato de fluoroalquilo a partir del disolvente orgánico comercialmente disponible cloroformo y fluoroalcohol utilizando el método de síntesis de foto a pedido.
• La síntesis de carbonato de fluoroalquilo y la síntesis de productos químicos que lo utilizan son nuevas reacciones químicas de baja energía que causan menos daño al medio ambiente. Se espera que estos métodos se conviertan en técnicas establecidas que contribuyan en gran medida a los ODS y a los esfuerzos para convertirse en carbono neutral.

En la actualidad, un compuesto químico llamado fosgeno se utiliza a menudo como precursor de polímeros y como producto intermedio farmacéutico. El mercado mundial de fosgeno continúa creciendo varios por ciento cada año, con alrededor de 8 a 9 millones de toneladas producidas anualmente. Sin embargo, el fosgeno es extremadamente tóxico. Por razones de seguridad, se están realizando investigaciones y desarrollos para encontrar alternativas. El carbonato de difenilo es menos tóxico que el fosgeno y se utiliza como sustituto en diversas reacciones químicas. Sin embargo, su uso está limitado debido a su baja reactividad.

Por lo tanto, existe una demanda para el desarrollo de carbonatos con alta reactividad para aumentar el número de reacciones en las que los carbonatos pueden ser un sustituto. Desafortunadamente, los carbonatos generalmente se sintetizan a partir de fosgeno y alcohol, por lo que se ha avanzado poco.

Sin embargo, el Profesor Asociado Tsuda et al. recientemente hizo un primer descubrimiento mundial. Pudieron sintetizar carbonato de una manera muy eficiente simplemente disolviendo alcohol y bases orgánicas en cloroformo (un solvente disponible comercialmente) y luego iluminando la solución resultante con luz. Con este descubrimiento, se podrá evitar el uso de fosgeno tóxico en la síntesis de varios productos químicos que antes lo requerían.

El grupo de investigación ha llamado a su descubrimiento "método de síntesis orgánica de foto a pedido" y lo está utilizando para crear compuestos útiles existentes, así como nuevos productos químicos funcionales. Estas reacciones químicas altamente originales inventadas por la Universidad de Kobe se están desarrollando a través de colaboraciones entre la industria, el gobierno y la academia con la implementación como el objetivo de esta investigación. La Universidad de Kobe y AGC han estado llevando a cabo más investigaciones aplicadas sobre este método de síntesis, además de desarrollar poliuretano funcional.

Los fluoruros orgánicos generalmente tienen propiedades distintivas (por ejemplo, son repelentes al agua y al aceite, fuertes contra el calor y los productos químicos, y no absorben la luz), por lo tanto, sus aplicaciones incluyen repelentes de agua, tratamientos de superficies, emulsionantes, sustancias extintoras de incendios y revestimientos. Además, se sabe que los fluoruros orgánicos provocan reacciones químicas únicas porque los átomos de fluoruro atraen fuertemente los electrones. En colaboración con AGC (productor de compuestos de flúor y cloroformo), este grupo de investigación ha sido capaz de proponer aplicaciones industriales para el método de síntesis foto-bajo-demanda, así como esforzarse por el desarrollo de nuevos materiales funcionales a través de su aplicación.

Metodología de la investigación

Este grupo de investigación sintetizó con éxito carbonato de fluoroalquilo altamente reactivo utilizando el método de síntesis de foto a pedido. Determinaron su reactividad a través de métodos, que incluyeron probar la velocidad de reacción y el rendimiento del producto cuando se hizo reaccionar con alcohol y amina (consulte la Figura 2 y la Tabla 1), así como la realización de análisis mediante espectroscopia infrarroja transformada de Fourier (FT-IR).

Los carbonatos son un sustituto en una serie de reacciones químicas que convencionalmente requieren fosgeno extremadamente tóxico (fila 1 de la Tabla 1). Por ejemplo, el carbonato de difenilo con un sustituyente aromático (ver fila 7) se usa en la síntesis de policarbonato. Sin embargo, el carbonato con una cadena de alquilo (fila 8) demuestra una menor reactividad, por lo que generalmente no se usa para tales aplicaciones. Curiosamente, se reveló que los carbonatos de fluoroalquilo (filas 2, 3, 4 y 5) exhiben una reactividad mayor o similar. Se confirmó que entre estos carbonatos de fluoroalquilo; el carbonato de alquilo (fila 3) y el carbonato aromático (fila 2), que tienen más átomos de fluoruro, muestran una reactividad espectacularmente mayor.

El subproducto, fluoroalcohol, tiene una afinidad reducida con el compuesto orgánico producido y un punto de ebullición bajo. Por lo tanto, es posible eliminarlo fácilmente del producto secándolo. Incluso si el fluoroalcohol permanece, es mucho menos tóxico y corrosivo que el subproducto de la síntesis que usa fosgeno (que es cloruro de hidrógeno). También exhibe las propiedades distintivas de los compuestos orgánicos de flúor, lo que lo convierte en un producto químico altamente funcional y de alta calidad.

La información sobre la reactividad y los subproductos de los carbonatos de fluoroalquilo que esta investigación reveló a través del análisis sistémico se puede utilizar como referencia. Los usuarios pueden estimar los costos (como el precio de compra del precursor y los costos de síntesis) y seleccionar el precursor de carbonato que sea más apropiado para la sustancia química o el producto que desean sintetizar.

Otros desarrollos

Cuando se aplica el método del fosgeno a la producción de polímeros y productos intermedios farmacéuticos, el residuo de cloruro de hidrógeno (HCl) en el producto puede causar corrosión y degradación. Por lo tanto, la eliminación de cloruro de hidrógeno es un problema industrial. Se espera que con su alta reactividad, los carbonatos de fluoroalquilo puedan servir como sustituto del fosgeno en la síntesis de varios productos químicos. Además, podrían usarse en campos relacionados con la electrónica, ya que no producen HCl como subproducto.

Se espera que la síntesis de carbonato de fluoroalquilo mediante el método de foto a la carta y su aplicación a la síntesis de productos químicos promuevan el desarrollo de nuevos materiales funcionales. También se espera que conduzca a avances significativos en reacciones químicas de baja energía y bajo impacto ambiental, y que contribuya en gran medida a los ODS y a los esfuerzos para convertirse en carbono neutral. + Explora más

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