Aplicaciones De Microondas En Química Y Biología

Aplicaciones de microondas en química y en Biología

De Eusebio Juaristi

Ocurre frecuentemente que el calentamiento convencional en las reacciones químicas es ineficiente y tardado. Así mismo, el uso racional de los microondas permite al investigador jugar un papel más creativo desde el punto de vista científico.

Desde el punto de vista práctico, la obtención de compuestos que tradicionalmente requieren de horas o días bajo condiciones de calentamiento con un mechero o con una parrilla, ahora son posibles en sólo minutos, conduciendo a mejores rendimientos del producto deseado, en ambientes más limpios. Por supuesto, estas ventajas son de gran interés en las empresas químicas modernas.

Otra característica importante de la síntesis química empleando microondas es que la energía de activación se puede transferir directamente a las moléculas reaccionantes, promoviendo transformaciones que no son posibles mediante el calentamiento tradicional. Por supuesto, esta es una característica que abre las puertas a nuevos campos en el área de la síntesis orgánica.

Las ventajas potenciales del uso del microondas son pues de gran interés para estudiosos y practicantes de diversas áreas. Este libro pretende motivar la aplicación de esta metodología en diversas disciplinas y proyectos tanto académicos como tecnológicos en México.

En general, al utilizar el método asistido por microondas es común que:

• Las condiciones de reacción sean más suaves

• Los tiempos de reacción sean más cortos

• Se obtengan rendimientos más altos

El uso de las microondas para favorecer las reacciones en química orgánica ha sido muy amplio, y como ejemplos se pueden mencionar reacciones de hidrogenación, de oxidación, de sustitución electrofílica aromática, reacciones pericíclicas y en general muchos procesos de importancia en química orgánica. Además la técnica ha sido ya aplicada tanto en química inorgánica como en química del estado sólido.

Para poder entender de qué se trata este método es necesario entender como es, en primer lugar, el funcionamiento y comportamiento de las microondas.

Cuando se utiliza una fuente de calor convencional (por ejemplo, un baño de aceite o una canastilla de calentamiento) se calienta el recipiente de vidrio antes que la mezcla de reacción, la cual se calienta por un mecanismo de conducción o convección, y esto da lugar a una pérdida considerable de energía en forma de calor. Al emplear la energía de las microondas son las propias moléculas las que se calientan, con lo que se pierde menos energía, ya que el calentamiento es interno. Su principal ventaja es que no presentan pérdidas de energía debido a que el calentamiento interno se lleva a cabo de una forma selectiva y homogénea. Cuando se exponen los compuestos a las microondas, los efectos térmicos que sufren se incrementan cuando la polaridad de dicho sustrato es alta. Por ejemplo, cuando se irradiaron 50mL de diversos disolventes durante un minuto y por separado en el horno de microondas, se alcanzaron las temperaturas indicadas.

¿Por qué se favorecen las reacciones al utilizar la radiación de microondas?

La energía de las microondas no cambia el comportamiento químico, esto es el mecanismo por el cual ocurre una reacción química. Si bien se ha hablado del “efecto microondas” (el cual se discute más adelante), es usual que al utilizar la radiación de microondas como fuente de calentamiento se incremente la energía que poseen las moléculas para que éstas alcancen la energía de activación necesaria para asegurar que en el choque entre dos moléculas ocurra; tanto la ruptura como la formación de enlaces de tal modo que los reactivos que se transformen en productos, como veremos a continuación.

La radiación de microondas se ha utilizado en diversas metodologías y se ha adaptado a otras técnicas con gran éxito: en reacciones a alta presión o utilizando agua como disolvente en condiciones semicríticas. También se han utilizado microondas con líquidos iónicos o compuestos altamente fluorados en química combinatoria y órganometálica; también se ha utilizado en síntesis de péptidos, etc.

Frecuentemente ciertas reacciones que no ocurren mediante métodos convencionales pueden realizarse vía microondas. En otros casos, la radiación produce cambios en la quimio, regio y estereoselectividad de la reacción. La existencia de resultados que no pueden explicarse por un efecto de calentamiento rápido ha llevado a diversos autores a postular la existencia de un fenómeno denominado “efecto microondas”.

De esta manera, los cambios en la reactividad y selectividad de algunas reacciones se explicarían por un efecto específico y no por un efecto exclusivamente térmico. La teoría cualitativa general incluye los siguientes principios:

• La aceleración de reacciones por irradiación de microondas resulta de interacciones entre la radiación y la materia, que se refleja en efectos térmicos específicos.

• Cuando existe un aumento de la polaridad al pasar del estado inicial al estado de transición, aumentan las interacciones radiación-materia lo que da lugar a la aceleración de la reacción.

• Con frecuencia, las reacciones se pueden llevar a cabo en ausencia de disolvente.

En el espectro electromagnético, la región de las microondas se localiza entre las radiaciones infrarroja y visible. Las longitudes de onda de las microondas varían desde un centímetro hasta un metro, correspondiendo a frecuencias desde 300 hasta 300,000 megahertz. La frecuencia más utilizada para el calentamiento por microondas es de 2,450 MHz, que corresponde a una longitud de onda de 12.2cm.

En 1888, el químico sueco Svante Arrhenius sugirió que las moléculas deben poseer una cantidad mínima de energía para reaccionar, la cual proviene de la energía cinética de las moléculas que chocan entre sí. Esta energía sirve para promover las reacciones químicas ya que si las moléculas se mueven muy lentamente, sólo rebotarán al chocar con otras moléculas y la reacción no se llevará a cabo. Para que las moléculas reaccionen,

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