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Cosolvente

Los cosolventes mejoran la solubilidad entre fases no miscibles, como se demuestra con un soluto disuelto en un disolvente orgánico pero insoluble en agua (izquierda). Se añade ...

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Los cosolventes mejoran la solubilidad entre fases no miscibles, como se demuestra con un soluto disuelto en un disolvente orgánico pero insoluble en agua (izquierda). Se añade un cosolvente miscible en ambas fases y capaz de disolver el soluto para formar una solución homogénea de agua, disolvente orgánico y compuesto (derecha).

En química, los cosolventes son sustancias que se añaden a un disolvente primario en pequeñas cantidades para aumentar la solubilidad de un compuesto poco soluble . Su uso es más frecuente en la investigación química y biológica relacionada con productos farmacéuticos y ciencia de los alimentos , donde los alcoholes se utilizan a menudo como cosolventes en agua (a menudo en una concentración inferior al 5 % en volumen [ 1 ] ) para disolver moléculas hidrofóbicas durante la extracción, el cribado y la formulación. Los cosolventes también encuentran aplicaciones en química ambiental y se conocen como contramedidas eficaces contra líquidos contaminantes de fase no acuosa [ 2 ] , así como en la producción de materiales energéticos funcionales [ 3 ] [ 4 ] y la síntesis de biodiésel [ 5 ] [ 6 ] .

El tema de la cosolvencia ha atraído la atención de muchos teóricos e investigadores que buscan predecir la solubilidad de compuestos utilizando sistemas de cosolventes, y es objeto de considerable investigación en la literatura científica . Existen estudios que proponen y revisan métodos de modelado de la cosolvencia mediante cálculo, [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] describen correlaciones empíricas de cosolventes y fenómenos de solvatación observados , [ 10 ] [ 11 ] e informan sobre la utilidad de los sistemas de cosolventes en diversos campos. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 12 ]

En productos farmacéuticos

Entre los desafíos de larga data en la química farmacéutica se encuentran superar la hidrofobicidad / lipofilicidad inherente de ciertas moléculas para el tratamiento y encontrar procedimientos de síntesis eficaces para moléculas complejas. Los cosolventes pueden ayudar a los investigadores tanto en los ensayos de formulación como de síntesis.

Formulación

En química farmacéutica, existen numerosos métodos para ayudar a solubilizar fármacos poco solubles en agua para su uso en tratamientos. Estos métodos incluyen la cosolvencia, el hidrotropismo, la complejación, la ionización y el uso de agentes tensioactivos. El más extendido es la aplicación de cosolventes no tóxicos con agua para producir formulaciones que puedan disolver moléculas hidrofóbicas manteniendo la cohesión con los sistemas biológicos. Los cosolventes comunes para este propósito son el etanol, el propilenglicol , la glicerina, el glicofural y los polietilenglicoles. [ 7 ] El efecto de la cosolvencia en la solubilización de fármacos puede ser significativo, como lo demuestra un estudio de 2009 en el que investigadores de la Universidad de Panjab mostraron que la solubilidad de varios fármacos antidiabéticos aumentó en más de 500 veces mediante el uso de un cosolvente. [ 13 ]

Síntesis

Los cosolventes resultan útiles tanto en aplicaciones sintéticas como en formulación. Los sistemas de cosolventes suelen ser específicos para el objetivo sintético que se estudia, por lo que aquí se revisan las conclusiones generales de varias publicaciones que ejemplifican puntos importantes sobre el tema:

En un proyecto de 2017, investigadores de la Universidad de Cornell estudiaron el efecto de la cosolvencia en las enolizaciones de oxazolidinona mediadas por hexametildisilazida de litio (LiHMDS). Esta vía de reacción fue ejemplificada por el grupo en la síntesis de filibuvir, un fármaco utilizado para el tratamiento de la hepatitis C que Pfizer produce a escala industrial. [ 14 ] Los investigadores se centran principalmente en la formación de polímeros en sistemas de tetrahidrofurano con cosolventes de hidrocarburos y encuentran que la velocidad es altamente sensible al cosolvente utilizado. Entre otros resultados, el estudio concluye que la elección del cosolvente es de suma importancia en la industria farmacéutica, donde el rendimiento porcentual, las impurezas traza y las técnicas de procesamiento son relevantes química, financiera y toxicológicamente. Sin embargo, los investigadores se cuidan de mencionar que los mecanismos que dan lugar a estas diferencias empíricas en los sistemas de cosolventes aún no se comprenden bien.

Un artículo de 2016 de investigadores de la Universidad de Hokkaido describe un mecanismo promovido por cosolventes para la bencilación de grupos hidroxilo en la síntesis de derivados de sacarosa. [ 15 ] El grupo informa un método mediante el cual la reacción de bencilación, empíricamente de bajo rendimiento y con una formación significativa de subproductos debido a la baja reactividad general del grupo 1'-hidroxilo objetivo en la sacarosa, se llevó a cabo con rendimientos de hasta el 95% con excelente selectividad para la molécula sintética. Lograron este rendimiento utilizando un sistema de cosolventes de hexanos y diclorometano , y extrapolaron el método para incluir varios sustratos de haluro de bencilo, así como alcoholes , glucosa y derivados de ribosa . Este estudio es uno de muchos donde los rendimientos de reacción en síntesis orgánica pueden optimizarse mediante la aplicación de sistemas de cosolventes polares/no polares.

Los cosolventes también desempeñan un papel en la subdisciplina bioquímica: un estudio de 2012 realizado por investigadores de la Universidad Tecnológica del Sur de China informa cómo se pueden optimizar los parámetros de los cosolventes para obtener mayores rendimientos en reacciones catalizadas por enzimas. [ 16 ] Específicamente, el grupo examinó la síntesis del antidepresivo bioactivo salidrósido catalizada por harina de semilla de ciruela pasa y descubrió que el uso de diacetato de etilenglicol junto con un cosolvente de líquido iónico proporcionó un aumento de hasta el 50 % en el rendimiento del producto. El uso de líquidos iónicos como cosolventes en este estudio y en muchos similares demuestra la variabilidad de esta metodología, donde los sistemas de cosolventes pueden ir más allá de las convenciones estándar de solventes polares y no polares para afectar el cambio a nivel mecanístico.

En química ambiental

Se ha demostrado desde hace tiempo que los cosolventes son herramientas eficaces en química ambiental, tanto como potentes medios para la remediación de la contaminación como aditivos importantes en la síntesis de tecnologías verdes, tales como células solares, biocombustibles y adsorbentes. En algunos casos, la utilización de cosolventes también permite alcanzar un objetivo general en el campo de la química verde: la reducción del uso de disolventes no sostenibles mediante la mejora de la solubilidad del sustrato o la provisión de alternativas más ecológicas.

Remediación

Reacción de transesterificación mediante la cual los aceites vegetales (rojo) reaccionan con alcohol para producir el éster correspondiente (azul) y glicerol (verde). Los ésteres resultantes pueden utilizarse como biocombustible para diversos fines.

En el contexto de la remediación de contaminantes acuosos, los cosolventes pueden utilizarse en diversas funciones, incluyendo mejorar el rendimiento de los surfactantes, aumentar la solubilidad de un líquido de fase no acuosa (NAPL) y movilizar físicamente los NAPL disminuyendo la tensión interfacial entre las fases acuosa y orgánica. [ 17 ] Debido a preocupaciones toxicológicas, los principales agentes utilizados para la remediación son soluciones acuosas de alcoholes al 1-5% en volumen, que pueden ser inyectadas en un sitio contaminado y posteriormente extraídas del agua. Esta “inundación con cosolvente” (llamada inundación con alcohol cuando se utiliza >5% en volumen) a menudo se combina con la modificación de la salinidad, la oxidación química in situ y la alteración de la temperatura para proporcionar los métodos más eficaces de eliminación de NAPL de una fuente de agua. [ 18 ] El lavado in situ es un proceso mediante el cual el suelo se descontamina de manera similar a los entornos acuosos. [ 19 ]

En la producción de polímeros, como los utilizados en las tecnologías de células solares, los cosolventes facilitan la separación de fases. Partiendo de una mezcla de polímero y disolvente (arriba), los cosolventes favorecen la agregación de los polímeros (derecha), simplificando la producción y mejorando el rendimiento. Sin el uso de cosolventes, las gotas del disolvente primario se agrupan formando dominios diferenciados y el polímero se dispersa de forma más aleatoria (izquierda). Adaptado de Janssen et al. (2015).

Las complicaciones que surgen del uso de cosolventes de alcohol en la remediación acuosa incluyen la formación de macroemulsiones, la desorción de contaminantes orgánicos de los sólidos del acuífero y la introducción de toxicidad, inflamabilidad y explosividad a concentraciones más altas. [ 17 ]

Tecnologías verdes

La naturaleza versátil y variable de los cosolventes ha permitido su uso en numerosas aplicaciones relacionadas con la tecnología verde. Una de estas aplicaciones es el procesamiento de células solares de polímero, donde los cosolventes se han reconocido como aditivos importantes para reducir la separación de fases del solvente principal en gotas, lo que interrumpe la continuidad de la muestra y conduce a morfologías menos favorables. [ 20 ] En la mayoría de los casos, se utiliza un cosolvente en una concentración del 1 al 10 % en volumen, el cual actúa favoreciendo la agregación del polímero en las etapas de moldeo o evaporación de la solución. Si bien el uso de cosolventes en este contexto es prácticamente omnipresente en la investigación de células solares orgánicas, aún existe una falta de comprensión sobre los procesos dinámicos mediante los cuales la cosolvencia logra este efecto. [ 3 ] [ 4 ] [ 20 ]

Los cosolventes también desempeñan un papel importante en la producción de biocombustibles a partir de biomasa diversa. Por ejemplo, en los esfuerzos por convertir aceite de girasol usado en biodiésel mediante transesterificación , se descubrió que la utilización de un cosolvente en metanol mejoraba la conversión del producto del 78 % a casi la finalización en un corto período de tiempo. [ 21 ] En otro ejemplo, se descubrió que una mezcla de tetrahidrofurano y agua era increíblemente eficaz para extraer lignina de la biomasa y obtener azúcares fermentables, a pesar de que tanto el THF como el agua son disolventes poco adecuados para este fin. [ 22 ] Al simplificar los procedimientos de síntesis y procesamiento para estas y otras tecnologías verdes en desarrollo, los cosolventes están reduciendo los residuos derivados de la pérdida de rendimiento, la baja solubilidad de los sustratos y el procesamiento excesivo. Con el tiempo, se están desarrollando sistemas aún mejores y se está explorando la investigación dirigida a cosolventes más ecológicos. [ 23 ]

Aproximación de los efectos del cosolvente

Existen diversos modelos para describir y predecir los efectos de los cosolventes. Estos modelos, que se basan en gran medida en la aplicación de modelos matemáticos y teoría química, varían desde simples hasta relativamente complejos. El primer modelo, y también el más simple, sigue en uso hoy en día: el modelo de Yalkowsky. [ 7 ] El modelo de Yalkowsky utiliza la regla de mezcla algebraica o modelo log-lineal:

logX m = ƒ 1 logX 1 + ƒ 2 logX 2

Donde X m es la fracción molar de solubilidad del soluto, X 1 y X 2 denotan la fracción molar de solubilidad en cosolvente puro y agua.

Si bien este modelo es solo de naturaleza correlativa, un análisis posterior permite la creación de un elemento predictivo. Simplificando la ecuación anterior a:

logX m = logX 2 + σ • ƒ 1

Donde σ es el poder de solubilización del cosolvente y teóricamente es igual a log(X 1 /X 2 ).

Se puede incorporar el trabajo de Valvani et al., que muestra:

Donde M y N son constantes de cosolvente que no dependen de la naturaleza del soluto y se han tabulado para muchos cosolventes de uso común. Estas transformaciones convierten efectivamente el modelo log-lineal de Yalkowsky en un modelo predictivo, donde un investigador puede predecir con bastante precisión la concentración de cosolvente para la solubilización de un compuesto utilizando únicamente datos de solubilidad acuosa. [ 7 ] Para una discusión más profunda de los sistemas de modelado de cosolventes, se remite al lector a las revisiones de Jouyban (2008), [ 7 ] Smith y Mazo (2008), [ 8 ] y para el contexto bioquímico, Canchi y García (2013). [ 9 ]

Una perspectiva más sencilla para la selección de cosolventes implica analizar las propiedades medibles de diversos sistemas de cosolventes y realizar una determinación a partir de evidencia empírica. Investigadores de la Universidad de Arizona y la Universidad de Wisconsin-Madison revisan una selección de parámetros en un artículo de Toxicología y Química Ambiental, [ 24 ] entre ellos el coeficiente de partición, la tensión superficial, la constante dieléctrica, la tensión interfacial y otros. Utilizando el naftaleno como caso representativo de compuestos orgánicos hidrofóbicos (COH) solubilizantes, los autores informan que la mayoría de los parámetros más utilizados no logran describir con precisión la solubilidad, incluyendo la constante dieléctrica, el coeficiente de partición y la tensión superficial. En cambio, encuentran que el parámetro de solubilidad de Hildebrand, E t (30), y la tensión interfacial se correlacionan mejor con las tendencias empíricas. El químico práctico debería tener en cuenta estos resultados al desarrollar un sistema de cosolventes para un objetivo determinado.

Referencias

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  3. 1 2 3 Halim, Udayabagya; Zheng, Chu Ran; Chen, Yu; Lin, Zhaoyang; Jiang, Shan; Cheng, Rui; Huang, Yu; Duan, Xiangfeng (30 de julio de 2013). "Un diseño racional de exfoliación cosolvente de materiales en capas mediante el sondeo directo de la interacción líquido-sólido" . Comunicaciones de la naturaleza . 4 : 2213. Código Bib : 2013NatCo...4.2213H . doi : 10.1038/ncomms3213 . PMC 4249658 . PMID 23896793 .  
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