Materiales poliméricos multifuncionales basados en líquidos iónicos. Estrategias para el desarrollo de aplicaciones avanzadas en química sostenible en la uned de costa rica

Resumen

La tesis Doctoral se enmarca en el área de la Química Sostenible y se centra específicamente en el desarrollo de materiales poliméricos multifuncionales basados en líquidos iónicos. El eje central es el diseño, preparación, desarrollo y aplicación de los materiales poliméricos modificados basados en líquidos iónicos, integrando una serie de técnicas novedosas consideradas como herramientas útiles en la Química Sostenible, las cuales pueden ser puestas en práctica en la UNED de Costa Rica. La memoria de la tesis está estructurada en nueve capítulos. Se ha redactado siguiendo el esquema principal del formato de artículo científico según el trabajo de investigación desarrollado. Los resultados obtenidos permitieron la publicación de dos artículos (citados en el apartado de divulgación de este trabajo) en las revistas “Physical Chemistry Chemical Physics” y en “ChemSusChem”, un tercer artículo aceptado en la “ACS Sustainable Chemistry & Engineering”, revistas de alto índice de impacto y con gran consideración dentro del área de la Química Sostenible. Además, el trabajo realizado ha permitido la preparación de otros tres manuscritos que serán enviados en breve esperando a ser publicados también en revistas de alto impacto. Cada capítulo del desarrollo incluye un breve resumen en español e inglés, así como una descripción introductoria sobre el tema, la discusión de resultados, las conclusiones, la sección experimental y la información suplementaria. Las abreviaciones y símbolos empleados recurrentemente se acopian al principio del documento por orden alfabético. Respecto a la organización de los capítulos, se establecieron de tal forma que facilite la comprensión de los resultados y una lectura fluida. En este sentido, inicialmente se encuentra el Capítulo I. Introducción el cual incluye de forma general los temas principales que se tratan en el desarrollo de la tesis. Esto permite ubicar al lector y mostrarle los aspectos teóricos del desarrollo y la importancia de los resultados obtenidos. Este capítulo es una breve revisión bibliográfica sobre la Química Sostenible, líquidos iónicos, líquidos iónicos soportados, catálisis, estrategias avanzadas para aplicaciones en Química Verde (reacciones en flujo continuo, fluidos supercríticos, electrohilado e impresión 3D) y materiales conductores iónicos. Seguidamente, en el Capítulo II. Objetivos se exponen los objetivos generales y específicos de la tesis, con el fin de que el lector centre su atención y comprenda las motivaciones del trabajo. A partir de este punto, durante seis capítulos se detalla la discusión de los resultados obtenidos sobre los materiales desarrollados y sus potenciales aplicaciones. En el artículo publicado, llamado en este trabajo como Capítulo III. Difusividad de iones libres y concentración de carga en membranas de líquidos iónicos poliméricos entrecruzados tipo ionogel basados en sales zwiterionicas sulfonadas e iones de Litio, se diferencia ligeramente de los demás. En este se describe la síntesis de las mezclas de líquidos iónicos zwiterionicos (ZIs) y LiNTf2, ya que cuentan con propiedades interesantes como su elevada conducción iónica o como fases líquidas en la preparación de membranas basadas en PILs entrecruzados. Los materiales preparados mostraron elevadas conductividades correlacionadas con la composición monomérica y la con la mezcla ZIs:LiNTf2, así como buenas propiedades mecánicas y alta estabilidad térmica. El Capítulo IV. Síntesis en flujo continuo para la preparación simple de polímeros esféricos funcionalizados derivados del Poli(acrilamida-tiolactona), se reporta la manera simple y rápida la preparación de polímeros esféricos funcionalizados mediante un sistema de flujo continuo. El grupo funcional de la tiolactona permite la incorporación de dos grupos funcionales adicionales, proporcionando materiales con propiedades interesantes para aplicaciones como la catálisis. En el Capítulo V. Preparación y aplicación de tejidos de nanofibras derivados de Líquidos Iónicos Poliméricos, se desarrolla la preparación y obtención de tejidos de nanofibras por el electrohilado utilizando la mezcla de un líquido iónico polimérico funcionalizado con unidades de amino-homocisteína tiolactona y la poli(vinilpirrolidona). Dado a la presencia del grupo funcional de la tiolactona, los tejidos obtenidos pueden ser modificados mediante procesos de post-funcionalización, lo que permite la introducción de nuevos grupos funcionales y el entrecruzamiento de las nanofibras. Como una primera aproximación, los materiales modificados se utilizaron en diferentes aplicaciones como la detección de aminas volátiles y en catálisis. Seguidamente el artículo publicado, titulado en esta tesis como Capítulo VI. Rosa de Bengala inmovilizado sobre “Fases Soportadas relacionadas con los Líquidos Iónicos”: Un fotocatalizador eficiente para procesos en discontinuo y en flujo continuo, se evalúa la actividad fotocatalítica del Rosa de Bengala (RB) inmovilizado sobre materiales conteniendo fases soportadas relacionadas con los líquidos iónicos. Bajo la perspectiva de un fotocatalizador soportado sobre un polímero, este fue diseñado para que desarrollara un papel fundamental en la catálisis. Al ser modificado con unidades semejantes a un líquido iónico, la estructura polimérica no solo mantuvo su carácter inerte hacia el RB sino que controlaba la accesibilidad de los reactivos / sustratos a los centros activos, proporcionando un microambiente específico para la reacción. El Capítulo VII. Polímeros Multifuncionales basados en líquidos iónicos y fragmentos de Rosa de Bengala para la conversión de CO2 a carbonatos, (artículo aceptado) se desarrollaron sistemas organocatalíticos basados en materiales poliméricos conteniendo fases soportadas relacionadas con los líquidos iónicos, los cuales contenían unidades de Rosa de Bengala. Los materiales se probaron en la reacción de cicloadición de CO2 a epóxidos y se demostró que la actividad catalítica puede ser mejorada ajustando y controlando la naturaleza del SILLP. Además, los materiales desarrollados mostraron una gran estabilidad, sin disminución en la actividad catalítica al ser probados en condiciones de flujo continuo. El último capítulo de resultados, Capítulo VIII. Impresión 3D como herramienta facilitadora de técnicas emergentes. Conversión catalítica de CO2 estable y más eficiente en procesos de flujo continuo usando reactores impresos basados en líquidos iónicos soportados, trata sobre como la impresión 3D a través del diseño digital facilita la obtención de materiales avanzados con geometrías complejas. Los materiales impresos se modificaron con unidades semejantes a los líquidos iónicos lo que permitiendo su empleo como catalizadores eficientes bajo condiciones de flujo continuo en la conversión de CO2 a ciclocarbonatos. La digitalización del catalizador permite obtener sistemas que presentan las propiedades moleculares de los líquidos iónicos a la vez que la configuración macroscópica permitió mejorar su eficiencia catalítica en términos de productividad, en la reacción de clicoadición de CO2 en presencia de epóxidos. Para finalizar, el Capítulo IX. Conclusiones generales, se engloban las conclusiones más relevantes derivadas del trabajo desarrollado en cada uno de los manuscritos que integran esta tesis doctoral.