Revista de la Societat Catalana de Química

Page 1

Societat Catalana  Química Revista de la

de

Revista anual de la SCQ, filial de l’Institut d’Estudis Catalans

20 / 2021 URL: http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ ISSN: 2013-9853

Institut d’Estudis Catalans



Revista de la

Societat Catalana de Química

Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

2 0 / 2021 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

REVISTA ANUAL ISSN: 2013-9853 Dipòsit Legal: B 40794-2000


Societat Catalana de Química

Caràcter de la revista

Filial de l’Institut d’Estudis Catalans President: Gregori Ujaque Pérez Vicepresidenta: Rosa Maria Marcé Recasens Secretària: Montserrat Heras Corominas Tresorer: Jordi Cuadros Margarit Vocals: Nora Ventosa Rull Consol Blanch Colat Aureli Caamaño Ros Eduard Cremades Martí Anna de Juan Capdevila Pere Grapí Vilumara Josefina Guitart Mas Ciril Jimeno Mollet Lurdes Jordi Vilaró Josep Lluís Lliberia Blasco Arben Merkoçi Laia Pellejà i Puxeu Anton Vidal i Ferran Vocal jove: Benjamí Oller Salvia Delegat de l’IEC: Jordi Llorca Piqué

Revista de la Societat Catalana de Química Director: Gregori Ujaque Pérez (president de la SCQ) Consell Editorial: Ciril Jimeno Mollet (IQAC-CSIC) i Montserrat Heras Corominas (UdG) Revisió lingüística: Unitat d’Edició del Servei Editorial de l’IEC

La revista de la societat catalana de química, adreçada al col·lectiu de químics i estudiants avançats de grau i màster, publica articles de divulgació de química i ciències frontereres. Alhora, també pot incloure seccions i apartats sobre història, docència, Internet, documentació, actualitat i altres temes.

En general, els articles que es publiquen a la revista són per invitació expressa del Consell Editorial, i corresponen a conferenciants que han participat en actes de la Societat i a persones premiades en les diverses convocatòries públiques (Premis de Recerca, Trobada de Joves Investigadors dels Països Catalans…). No obstant això, si hi ha altres persones interessades a publicar-hi un treball, han de fer-ho saber al Consell Editorial i indicar-ne el contingut i la llargada aproximada, i aquest en valorarà l’adequació a la línia editorial de la revista.

Poden ser articles de treball de recerca originals o de revisió. Cal tenir present que els lectors de la revista poden ser químics de qualsevol especialitat i, per això, es demana als autors que facin un esforç especial a fi de facilitar la comprensió dels seus treballs.

Normes de publicació Les normes detallades de publicació es poden trobar a la pàgina web de la revista:

http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ.

Aquesta obra està subjecta —‌‌llevat que s’indiqui el contrari en el text, en les fotografies o en altres il·lustracions— a una llicència Reconeixement - No comercial - Sense obres derivades 3.0 Espanya de Creative Commons, el text

© dels autors dels articles Editat per la Societat Catalana de Química, filial de l’Institut d’Estudis Catalans Carrer del Carme, 47. 08001 Barcelona Telèfon: +34 935 529 106 Fax: +34 932 701 180 A/e: rscq@iec.cat REVISTA ANUAL ISSN: 2013-9853 Dipòsit Legal: B 40794-2000

complet de la qual es pot consultar a http://creativecommons.org/licenses/ by-nc-nd/3.0/es/deed.ca. Així, doncs, s’autoritza el públic en general a reproduir, distribuir i comunicar l’obra sempre que se’n reconegui l’autoria i l’entitat que la publica i no se’n faci un ús comercial ni cap obra derivada.


Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 20 (2021), p. 3 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Sumari

Editorial p. 5 El trencament espontani de la simetria especular i l’origen de l’homoquiralitat biològica per Joaquim Crusats i Albert Moyano European project LIBERATE “Lignin biorefinery approach using electrochemical flow”: Towards the electrification of chemical biorefineries per Carlos Troyano, Òscar Alonso, Oriol Angurell, Marc Belenguer, Marcel Boerrigter, Miguel González, Sonia Matencio i Ángel M. Valdivielso Avenços recents en el desenvolupament de molècules orgàniques fotoactives per a la capa activa en cèl·lules solars orgàniques eficients per Cristina Rodríguez-Seco, Eugenia Martínez-Ferrero i Emilio Palomares

p. 7

p. 20

p. 32

Bateries de liti-sofre: el futur de la mobilitat elèctrica? per Mateu Borràs Argemí i Flavia Palombarini

p. 52

Sistemes bioelectroquímics: una tecnologia innovadora per a la valorització d’aigües residuals urbanes i industrials per Pau Bosch-Jiménez, Daniele Molognoni, Clara Corbella, Pau López, Sergio Aguado, Martí Aliaguilla i Eduard Borràs

p. 59

Estudi de l’espai de disseny en una reacció química mitjançant el disseny d’experiments per Pere Talavera

p. 75

Recent developments in nickel-catalyzed cross-coupling reactions via C–O functionalization per Carlota Odena, Laura Talavera i Ruben Martin

p. 86

Valorització de la colza com a adsorbent de metalls pesants en aigües residuals per Marina de la Cruz, Jingjing Zhao, Eduard Villagrasa i Cristina Palet Ballús

p. 101

Celebrem el Premi Nobel de Química 2020. Les eines CRISPR-Cas d’edició genètica per Lluís Montoliu

p. 111

Químics catalans al món: Xavier Fradera. Merck Research Laboratories (Boston, EUA)

p. 119

Ressenyes p. 121 Activitats destacades de la Societat Catalana de Química

p. 122

3



Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 20 (2021), p. 5-6 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Editorial

U

n any més, presentem el nou número de la revista de la societat catalana de química (RSCQ), amb contribucions d’investigadors destacats de la nostra geografia. Enguany estem especialment contents perquè arribem al número vint de la revista, que, des de 2010, es publica anualment de manera ininterrompuda. Vint números en vint-i-dos anys de publicació és, doncs, una fita important.

Nombre de pàgines publicades

La funció primordial de la RSCQ és difondre la investigació que es duu a terme als Països Catalans respecte de la química i d’altres temes (culturals, educatius, històrics, etc.) que hi tenen relació. Malgrat que és una tasca difícil d’avaluar, una anàlisi breu del nombre de pàgines publicades al llarg d’aquests vint números ens indica que, si més no en quantitat, la revista ha anat creixent. Així, hem passat de les menys de vuitanta pàgines publicades en els primers números fins a les més de cent vint que publiquem els darrers anys. Des d’aquí volem agrair la feina feta a tots els autors i editors que han fet possible aquesta evolució tan positiva al llarg d’aquests vint números. 160 140

vestigadors del Centre Tecnològic LEITAT, sobre un projecte europeu consistent en l’aprofitament de lignines (residus de la fusta) per a obtenir productes químics valuosos mitjançant biorefineries electroquímiques. De l’Institut Català d’Investigació Química (ICIQ) i de l’Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) ens arriba un article sobre cèl·lules solars orgàniques i les molècules que en fan possible el funcionament, per Cristina Rodríguez-Seco, Eugenia Martínez-Ferrero i Emilio Palomares. També del Centre Tecnològic LEITAT tenim un article sobre bateries de liti-sofre com a alternativa a les bateries actuals d’ió liti, escrit per Mateu Borràs Argemí i Flavia Palombarini; i un altre article sobre sistemes bioelectroquímics per a la valorització d’aigües residuals, per Pau Bosch-Jiménez, Daniele Molognoni, Clara Corbella, Pau López, Sergio Aguado, Martí Aliaguilla i Eduard Borràs, on s’exposa la tecnologia actual que permet integrar l’electroquímica amb reactors biològics. Tot seguit, Pere Talavera, d’Esteve Química, ens presenta un treball sobre el disseny d’experiments com a eina clau per a optimitzar processos en la indústria farmacèutica, aplicat a un cas concret.

120 100 80 60 40 20 0

0

5

10 Número de la RSCQ

15

20

Pàgines publicades a la RSCQ.

Comencem aquest número amb un article de Joaquim Crusats i Albert Moyano, de la Universitat de Barcelona, sobre el trencament espontani de la simetria especular i les implicacions que té en l’homoquiralitat de la vida. A continuació presentem un article de Carlos Troyano, Òscar Alonso, Oriol Angurell, Marc Belenguer, Marcel Boerrigter, Miguel González, Sonia Matencio i Ángel M. Valdivielso, in-

De mans de Carlota Odena, Laura Talavera i Ruben Martin, de l’Institut Català d’Investigació Química (ICIQ), ens arriba un article que parla sobre nous avenços en les reaccions d’acoblament creuat catalitzades per níquel, emprant electròfils poc activats de tipus C–O. L’article següent versa sobre la valorització de la colza com a adsorbent de metalls pesants en aigües residuals, incloent-hi l’efecte dels microorganismes presents, i el signen Marina de la Cruz, Jingjing Zhao, Eduard Villagrasa i Cristina Palet Ballús, de la Universitat Autònoma de Barcelona. Marina de la Cruz va ser la guanyadora del Premi Sant Jordi 2020 al millor treball de fi de grau en l’àmbit de la química. Finalment, presentem l’article sobre la conferència de celebració del Premi Nobel de Química 2020 sobre les eines

5


CRISPR-Cas per a l’edició genètica, escrit pel mateix conferenciant, Lluís Montoliu, del Centro Nacional de Biotecnología (CNB-CSIC) a Madrid. Per acabar aquest número, hi ha les seccions habituals «Químics catalans al món», en què coneixerem la trajectòria professional de Xavier Fradera (Boston, EUA), i «Activitats destacades de la Societat Catalana de Química», que recull les activitats que ha organitzat o en les quals ha participat la nostra societat des de finals del 2020 fins a l’octubre del 2021. A més a més, aquest any comencem la secció «Ressenyes», una secció de recensions de llibres de divulgació química que esperem que us agradi i tingui continuïtat.

6

Res més. Esperem que els continguts d’aquest número siguin del vostre interès. Recordeu que estem oberts a tota mena de suggeriments, i que estarem encantats de rebre les vostres col· laboracions. Els editors, Montserrat Heras Corominas Universitat de Girona montserrat.heras@udg.edu Ciril Jimeno Mollet Institut de Química Avançada de Catalunya Consell Superior d’Investigacions Científiques ciril.jimeno@iqac.csic.es


Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 20 (2021), p. 7-19 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853  DOI: 10.2436/20.2003.01.122 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

El trencament espontani de la simetria especular i l’origen de l’homoquiralitat biològica Spontaneous mirror-symmetry breaking and the origin of biological homochirality Joaquim Crusats1, 2 i Albert Moyano1 1 Universitat de Barcelona. Facultat de Química. Departament de Química Inorgànica i Orgànica. Secció de Química Orgànica 2 Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC). Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB)

Resum: Per a explicar l’origen de l’homoquiralitat biològica (el fet que les biomolècules es trobin en una sola forma enantiomèrica), hom assumeix l’aparició d’un excés enantiomèric inicial causat per trencament espontani de la simetria especular (TESE). Els exemples experimentals de l’assoliment del TESE en reaccions químiques són, però, molt escassos. En canvi, el TESE és molt més comú en processos d’autoassemblatge, en els quals el signe de quiralitat pot ser controlat per forces quirals macroscòpiques. Hem proposat un nou mecanisme per al sorgiment de la quiralitat molecular, en què un monòmer aquiral es converteix amb TESE en un agregat quiral no racèmic que és catalíticament actiu i pot transferir la seva quiralitat al nivell de les molècules en solució (catàlisi asimètrica absoluta). Paraules clau: Autocatàlisi, catàlisi asimètrica absoluta, catàlisi supramolecular, homoquiralitat biològica, trencament espontani de la simetria especular.

Abstract: In order to explain the origin of biological homochirality (the fact that only one enantiomeric form of the molecules of life is consistently found), the appearance of an initial enantiomeric excess caused by spontaneous mirror-symmetry breaking (SMSB) has been assumed. However, experimental examples of the achievement of SMSB in chemical reactions are very rare. The occurrence of SMSB in self-assembly processes is much more common and its chiral outcome can be controlled by macroscopic chiral forces. We propose a new mechanism for the emergence of molecular chirality, in which an achiral monomer is converted under SMSB to a nonracemic chiral aggregate that is catalytically active and can transfer its chirality at the molecular solution level (absolute asymmetric catalysis). Keywords: Autocatalysis, absolute asymmetric catalysis, supramolecular catalysis, biological homochirality, spontaneous mirror-­symmetry breaking.

Quiralitat biològica i síntesi asimètrica absoluta

E

l 1848, un jove Louis Pasteur va iniciar les seves investigacions sobre la possible connexió entre la rotació òptica —‌un fenomen macroscòpic— i la quiralitat —‌aleshores anomenada dissimetria— molecular [1a]. Ell fou el primer a remarcar que les molècules orgàniques òpticament inactives són molt poc freqüents en els éssers vius, i que, quan hi apareixen, es tracta gairebé sempre de compostos senzills que no estan implicats en processos essencials per a la vida. Pasteur va intuir que aquest fet havia d’estar relacionat amb una asimetria fonamental en les lleis físiCorrespondència: Albert Moyano Universitat de Barcelona. Facultat de Química. Departament de Química Inorgànica i Orgànica C. de Martí i Franquès, 1-11. 08028 Barcelona Tel.: +34 934 021 245 A/e: amoyano@ub.edu

ques [1b]. El fet que les unitats bàsiques de les macromolècules biològiques no solament es trobin en només una de les seves dues formes enantiomèriques possibles, sinó que a més presentin una gran uniformitat en el tipus de quiralitat (tots els carbohidrats tenen configuració d, els a-aminoàcids proteïnogènics tenen configuració l en la notació de Fischer), es coneix com a homoquiralitat biològica (figura 1), i el seu origen ha intrigat la comunitat científica des de les primeres observacions de Pasteur. Gairebé dos segles després, seguim sense tenir cap resposta clara a aquesta qüestió, per bé que disposem d’algunes peces del trencaclosques. Des del punt de vista purament químic, la pregunta essencial és com, abans de l’aparició dels catalitzadors biològics, les reaccions que donaren lloc als sucres i als aminoàcids a partir de precursors aquirals senzills podien haver originat aquestes substàncies en forma enantiomèricament homogènia. Aquest és, de fet, un problema clàssic en síntesi orgànica: la formació de compostos quirals enriquits de manera enantiomèrica a

7


Figura 1.  La dissimetria de l’Univers, Louis Pasteur i l’homoquiralitat biològica. Elaboració pròpia a partir d’imatges de la Wikipedia de lliure accés.

partir de precursors aquirals sense la intervenció prèvia de cap espècie química òpticament activa, que es coneix com a síntesi asimètrica absoluta [2]. En els primers estadis de la química prebiòtica, on només les forces físiques quirals naturals (violació de la paritat en la força nuclear feble, radiació polaritzada circularment, vòrtexs hidrodinàmics…) podien induir diferències d’energia molt petites entre els dos enantiòmers d’un estat de transició o d’un producte d’una reacció quiral determinada —‌tant en condicions de control cinètic com de control termodinàmic—, hom hauria d’obtenir excessos enantiomèrics no superiors als que resulten de les inevitables fluctuacions estadístiques, de l’ordre de l’invers de l’arrel quadrada del nombre de molècules N, al voltant de la composició racèmica (aproximadament, 10−10 % d’excés enantiomèric, ee), i, per tant, totalment indetectables. En definitiva, la biosíntesi d’aminoàcids i carbohidrats en només una de les seves formes enantiomèriques es basa en reaccions catalitzades per enzims que alhora provenen de la polimerització d’aminoàcids en la mateixa forma enantiomèricament pura, i es fa difícil pensar com en condicions abiòtiques una única reacció entre compostos aquirals pot trencar aquest cercle viciós.

El model de Frank i el trencament espontani de la simetria especular (TESE) 8

El 1953, el físic britànic Frederick Charles Frank va trobar una solució aparentment senzilla a aquest dilema: per a explicar

«l’asimetria òptica de la matèria viva» només cal suposar l’existència «d’una substància química que és un catalitzador de la seva pròpia producció i un anticatalitzador de la formació del seu enantiòmer» (antímer òptic, en paraules de Frank) [3]. El sistema bàsic proposat per Frank (figura 2a) consta d’un material de partida aquiral A, i d’un producte quiral que pot existir en dues formes enantiomèriques, l i d. La transformació directa, no catalitzada de A en l /d donarà lloc a la mescla racèmica; tanmateix, si cada enantiòmer actua com a catalitzador per a la seva pròpia formació (autocatàlisi enantioselectiva, amb una constant de velocitat ka), alhora que inhibeix la formació de l’enantiòmer oposat mitjançant la destrucció recíproca cap a un compost aquiral i catalíticament inactiu P (inhibició mútua, amb constant de velocitat ki), el resultat és totalment diferent. Frank demostrà que amb l’aportació contínua del material aquiral A i la formació irreversible de P, el quocient [l]/[d] augmenta o disminueix amb una velocitat doblement exponencial quan les concentracions inicials del producte són diferents, [l]0 ≠ [d]0, segons l’equació: [l]/[d] = ([l]0 / [d]0) · exp[(ki /ka)([l]0 − [d]0)(eka · t − 1)] La condició clau és la inhibició mútua entre enantiòmers, ja que, quan ki = 0, l’equació només indica que la relació enantiomèrica inicial no canvia amb el temps (és a dir, només amb l’autocatàlisi enantioselectiva no hi pot haver cap amplificació de l’ee). En canvi, si ki > 0, es pot veure fàcilment que es produeix un ràpid augment de l’ee del producte ja als primers estadis de la reacció (figura 2b). Ni tan sols començant amb una mescla estrictament racèmica amb [l]0 − [d]0 = 0, hom no obtindria una mescla equimolecular de l i d ja que, de fet, aquesta és una situació d’equilibri inestable, i la presència de les fluctuacions estadístiques inevitables al voltant del racèmic inexorablement portarà el sistema, amb la mateixa probabilitat, cap a un dels dos estats finals on només es produeix un enantiòmer. Això es deu a l’elevadíssima dependència no lineal (d’exponencial doble) de la relació enantiomèrica respecte a la diferència inicial de les poblacions dels dos enantiòmers. De fet, les simulacions numèriques mostren que, per als valors usuals de les constants cinètiques i amb un flux adient de matèria, amb un % ee inicial de només 10−18 l’estat final enantiomèricament pur s’assolirà en uns segons. La xarxa de reaccions de Frank és un exemple senzill del principi general segons el qual la síntesi asimètrica absoluta en


Figura 2.  a) Model de Frank i b) amplificació asimètrica. Elaboració pròpia.

transformacions químiques és perfectament possible, com a resultat d’una dependència cinètica no lineal en l’autocatàlisi asimètrica, en un sistema dinàmic que es manté lluny de l’equilibri termodinàmic. El 1984, Kondepudi i Nelson [4] van reformular el model de Frank en el context dels TESE en estructures dissipatives. El model de Kondepudi-Nelson és similar al de la figura 2a, si bé hi ha dues diferències significatives: a) l’autocatàlisi enantioselectiva i la inhibició mútua poden ser ambdues reversibles (constants de velocitat ka /k−a i ki /k−i, respectivament), i b) inclou la formació directa de l i d a partir de A mitjançant un parell enantiomèric de reaccions reversibles (constants de velocitat kd /k−d), de manera que ja no cal una quantitat inicial de l i d per a activar l’autocatàlisi. Òbviament, en aquestes condicions hom arribarà a un estat d’equilibri racèmic estable per al sistema tancat. Tot i això, el sistema es pot mantenir fora de l’equilibri mitjançant un flux d’entrada constant del reactiu A (i amb el corresponent flux de sortida del producte d’inhibició P). En aquest cas, hom pot demostrar que s’assolirà un estat estacionari de no equilibri (non-equilibrium steady state, NESS), que pot ser racèmic o no depenent de la concentració en excés del reactiu A respecte de la d’equilibri [A]e, que en un cas general esdevé un paràmetre de control l. Quan l és molt petit, el sistema està en règim lineal, molt a prop de l’equilibri, i el NESS racèmic amb un ee = 0 % és l’únic estat estable. D’altra banda, quan l ([A]e en el model de Frank) ultrapassa un valor crític lc, el NESS racèmic deixa de ser estable i l’un o l’altre dels dos NESS

amb un ee > 0 % o un ee < 0 % esdevé l’estat final (figura 3a), com en el cas del model original de Frank. En l’anomenat punt de bifurcació (l = lc) el sistema és extraordinàriament sensible a les desviacions de la composició racèmica exacta, i així el signe inicial d’una fluctuació estadística (o d’un biaix enantiomèric molt petit causat per una polarització física) determinarà quin dels dos enantiòmers, l o d, predominarà a la composició estacionària del producte (figura 3b). En general, lc és una funció complicada de les constants de velocitat directa i de les

Figura 3.  a) Diagrama que mostra la naturalesa racèmica (quiralment simètrica) o no racèmica (com a resultat d’un TESE) dels estats estacionaris de no equilibri (NESS) del sistema, en funció del paràmetre l. Elaboració pròpia. b) Diagrama on s’observa l’evolució temporal del sistema quan l > lc. Inicialment [l] i [d] creixen a la mateixa velocitat, però una petita fluctuació en la composició racèmica cap a l’enantiòmer l augmenta fins a assolir un estat estacionari quiralment asimètric en què [l] > [d] (ee > 0 %). Elaboració pròpia.

9


reaccions químiques implicades [5]. Això no obstant, quan la inhibició mútua és forta i irreversible (ki >> k−a i ki >> k−d), lc és senzillament k−d /ka, i hom recupera el resultat intuïtiu que la concentració crítica de A ([A]c) necessària perquè es produeixi un TESE serà alta si la racemització és ràpida en comparació amb l’autocatàlisi enantioselectiva, i baixa, en cas contrari (autocatàlisi enantioselectiva eficient, racemització lenta). Més enllà del valor crític lc, la producció de la mescla racèmica esdevé menys favorable que la d’un sol enantiòmer perquè el sistema es manté lluny de l’equilibri, i, després de la formació de les primeres molècules de l i de d, recuperem les condicions del model irreversible de Frank de la figura 2a, en què la probabilitat de partir d’una situació en la qual els dos enantiòmers del producte/catalitzador tinguin exactament el mateix nombre de molècules era pràcticament zero.

10

Una crítica habitual en relació amb el model de Frank —‌i també pel que fa a d’altres que han estat proposats per a explicar el TESE en transformacions químiques— és que en la realitat les reaccions gairebé sempre tenen lloc en un sistema homogeni termodinàmicament tancat. Atès que es necessita una aportació constant d’energia selectiva que permeti esquivar l’efecte del principi de balanç detallat (per exemple, a partir de reactius que actuen sobre determinades reaccions del sistema com un veritable combustible químic, amb etapes fotoquímiques, aportant energia mecànica només a algunes espècies, amb l’efecte de gradients de temperatura en sistemes compartimentalitzats, etc.) per a mantenir el NESS no racèmic, tan bon punt s’extingeix la font externa d’energia, l’enriquiment enantiomèric no és viable i el principi de reversibilitat microscòpica (l’expressió estadística del segon principi de la termodinàmica) conduirà inexorablement el sistema vers l’equilibri termodinàmic, que només és compatible amb la composició racèmica del producte quiral. Les simulacions numèriques mostren, però, que en un sistema de tipus Frank reversible, homogeni i tancat (en què l’entrada del reactiu A i la sortida del producte d’inhibició P s’han suprimit), el TESE també es pot assolir de manera transitòria en absència de polaritzacions quirals. En general, l’homoquiralitat s’assoleix poc després del temps necessari per a la conversió total del reactiu A, mentre que la racemització té lloc força més tard (sempre que ki > ka; figura 4 [6]. Així, el TESE es pot produir com a resultat d’excursions quirals fins i tot en reaccions moderadament exergòniques que transcorren en reactors tancats. Aquestes síntesis asimètriques absolutes transitòries poden

Figura 4.  Representació esquemàtica de l’evolució de l’excés enantiomèric per a un model de Frank reversible en un sistema tancat, amb [A]0 = 1,0 m, ee0 = 5 × 10−8 %, i amb ki /ka = 106 (vegeu la referència [6] per a més detalls). La puresa enantiomèrica del producte s’assoleix en uns minuts, mentre que cal esperar uns quants dies perquè la racemització sigui total. Elaboració pròpia.

durar desenes de milers de segons abans no tingui lloc la racemització dels productes i, des del punt de vista pràctic, són equivalents al TESE estacionari que s’obtindria amb el NESS de la mateixa reacció química en un sistema obert.

Models químics experimentals per al TESE: la reacció de Soai i…? En una revisió publicada l’any 1996 sobre les possibles causes físiques del fenomen de l’homoquiralitat biològica, Avetisov i Goldanskii [7] deien que la primera «evidència experimental sobre processos químics que transcorren amb trencament espontani de la simetria» havia aparegut «feia poc», al·ludint a «l’anunci encoratjador» efectuat un any abans per Soai d’una forta amplificació de l’excés enantiomèric en l’addició autocatalítica de reactius de dialquilzinc als pirimidinil-5-carbaldehids [8]. Un quart de segle més tard, la reacció de Soai (figura 5) encara es descriu com «l’únic exemple d’una transformació química autocatalítica, de no equilibri i irreversible capaç de produir una amplificació asimètrica robusta» [9]. En els primers experiments de Soai, un 0,05 % d’ee a l’alcohol 2a conduïa els productes d’1a amb un ee fins al 85 %. Posteriorment, aldehids pirimidínics amb grups alquinil, com per exemple 1c, donaren lloc a amplificacions molt més grans del % d’ee, i produïren l’alcohol 2c enantiomèricament pur en només tres reaccions consecutives a partir d’excessos enantiomèrics extremament baixos (figura 5a). Una altra característica


Figura 5.  a) Reacció autocatalítica asimètrica de Soai i b) demostració experimental d’un TESE a nivell molecular en solució mitjançant la reacció de Soai. Elaboració pròpia.

de la reacció de Soai és la seva capacitat de fornir alcohols 2 no racèmics fins i tot quan els aldehids 1 reaccionen amb diisopropilzinc en absència de qualsevol influència quiral (figura 5b). Això constitueix la demostració experimental d’un TESE en solucions moleculars (síntesi asimètrica absoluta), que parteix de la desviació estadística de la composició racèmica del producte (ca. 10−10 % ee) format als instants inicials de la reacció, i que evoluciona cap a un dels dos NESS no racèmics que hem discutit en el context de la reformulació de Kondepudi-­Nelson del model de Frank (vegeu la figura 3a). Si bé el model de Frank (autocatàlisi enantioselectiva irreversible, acoblada a un pas d’inhibició mútua entre enantiòmers de configuració oposada) pot reproduir els trets experimentals més importants de la reacció de Soai [6], han passat més de vint anys des del seu descobriment sense que els detalls de la xarxa essencial de reaccions acoblades que intervenen en el seu mecanisme s’hagin pogut establir inequívocament, i els estudis mecanístics tant de caire experimental com teòric continuen apareixent amb un ritme sostingut [9]. La reacció de Soai destaca com a paradigma experimental per a la síntesi asimètrica absoluta en absència de polaritzacions quirals externes, però el seu paper com a model dels processos químics implicats en l’emergència de l’homoquiralitat biològica ha estat qüestionat amb raó, atès que implica l’ús de compostos organometàl·lics extremament reactius que no són compatibles amb les condicions aquoses de la química prebiòtica terrestre. No és sorprenent, per tant, que la recerca de TESE en reaccions moderadament exergòniques i que puguin tenir lloc en medi aquós sigui especialment important en aquest context. Alguns resultats relatius a l’observació de

TESE en reaccions aldòliques i de Mannich han resultat poc reproduïbles des del punt de vista experimental, com a conseqüència de la seva reversibilitat i de la dependència difícil d’esbrinar amb les condicions de reacció concretes. Tanmateix, hem pogut detectar biaixos transitoris de la composició racèmica en els productes d’una addició aldòlica, si bé la naturalesa exacta de la xarxa de reaccions autocatalítiques que genera TESE fugissers en aquest procés resta encara per determinar [10]. Les reaccions autocatalítiques altament enantioselectives sembla que són, doncs, poc freqüents en solucions moleculars, sobretot en reaccions moderadament exergòniques, i els avenços en aquest camp probablement dependran del desenvolupament de metodologies sintètiques en condicions de flux continu, que haurien d’augmentar la probabilitat d’assolir el TESE en reaccions sintètiques duent-les a terme en arranjaments d’energia dissipativa.

El TESE en química de mesofases: la mida sí que importa Contrastant fortament amb l’escassetat d’exemples de TESE en solucions moleculars, el TESE en l’autoassemblatge d’unitats aquirals que condueix a l’emergència neta de quiralitat supramolecular en mesofases o en sistemes col·loidals és un fenomen molt més comú i ben establert [11]. Cal destacar que no hi ha diferències fonamentals entre la ben coneguda resolució espontània de compostos que forneixen conglomerats cristal·lins i la formació de mesofases quirals a partir de compostos aquirals (o quirals que racemitzen ràpidament); ambdós tipus de sistemes presenten efectes cooperatius homoqui-

11


rals que donen lloc a la dinàmica no lineal en l’autocatàlisi enantioselectiva que possibilita l’assoliment d’un TESE en condicions de no equilibri. Un exemple particularment rellevant de la generació de mesofases quirals no racèmiques per agregació (és a dir, per polimerització no covalent) és el de l’autoassemblatge de les formes diprotonades de les porfirines amfifíliques mesosubstituïdes. Un membre representatiu d’aquesta sèrie és la 5,10,15,20-tetrakis(4-sulfonatofenil)porfirina (3·H2), que forneix entitats supramoleculars estables (anomenades agregats J i H) en medi àcid aquós [12]. Quan els àtoms de nitrogen sp2 pirrolènics es protonen a valors de pH inferiors a 4,8, el compost experimenta una agregació jeràrquica promoguda per la concentració, i que es pot detectar pels senyals característics dels agregats a l’espectre d’UV-Vis (figura 6). Fins i tot en absència de qualsevol substància quiral no racèmica, l’agregat normalment presenta una quiralitat supramolecular neta, que es manifesta en l’aparició d’un senyal de dicroisme circular bisignat, i que indica que en el procés global d’agregació té lloc un TESE. Els agregats J quirals de H4TPPS4 constituïts per TESE poden formar nanoestructures tubulars relativament llargues

12

(ca. 1,7 μm de llarg) amb un diàmetre mitjà de 12,8 nm i una paret de 2,4 nm de gruix (aproximadament, la longitud molecular de 3) per agregació de nuclis primaris més curts (ca. 260 nm de llarg) consistents amb un arranjament bidimensional quiral dels monòmers protonats. Quina és la raó per a la relativa facilitat d’un TESE en la formació de sistemes supramoleculars quirals que donen lloc a cristalls o a mesofases, en comparació amb les reaccions químiques que produeixen molècules quirals en solució? Si analitzem els models que s’han proposat per a les poli­ meritzacions no covalents quirals [11b], veiem que les característiques necessàries per al TESE en la formació dels agregats són les següents: a) hi ha una preferència per l’arranjament homoquiral en els petits agregats inicials de mesògens; b) els polímers homoquirals de qualsevol longitud actuen com a plantilles per a la formació d’agregats homoquirals més grans de la mateixa configuració (autocatàlisi enantioselectiva en etapes successives, que comporta un creixement jeràrquic dels agregats); c) la formació dels agregats homoquirals és pràcticament irreversible —‌especialment en les etapes tardanes de la polimerització—, en canvi, els agregats hetero-

Figura 6.  Representació esquemàtica de la formació d’agregats J quirals en solucions aquoses àcides d’una porfirina amfifílica mesosubstituïda. L’ús de l’hèlix només simbolitza la naturalesa quiral de l’agregat. Elaboració pròpia.


quirals es formen reversiblement mitjançant reaccions d’heteropolimerització entre parells d’agregats de quiralitat oposada, però no poden provenir del creixement autocatalític no selectiu, i d) la formació d’aquests heteropolímers té un paper similar al de la inhibició mútua, i és essencial per a l’assoliment del TESE. L’existència d’aquests efectes cooperatius en una xarxa adient de processos acoblats genera una dinàmica autocatalítica no lineal, que condueix al TESE en la formació dels agregats quirals, els quals romanen lluny de l’equilibri termodinàmic durant períodes temporals extensos (figura 7). Una altra diferència fonamental entre el TESE en solucions moleculars i en la formació de sistemes supramoleculars rau en el comportament davant les polaritzacions quirals. Com ja hem comentat anteriorment, en condicions nominalment aquirals les fluctuacions estadístiques de la composició racèmica determinaran el signe de quiralitat del NESS final (escenari estocàstic, on tots dos estats enantiomòrfics es poden obtenir amb la mateixa probabilitat). D’altra banda, si el sistema creua lentament el punt de bifurcació (figura 3a), una polarització quiral que generi un petit biaix en les poblacions dels dos enantiòmers del producte pot portar a la formació preferencial d’un dels dos NESS enantiomòrfics finals (escenari determinista). En el cas de transformacions químiques de molècules petites en solució que transcorren amb TESE, només l’enantioselectivitat de la reacció de Soai es pot seleccionar de manera determinista per a una gran varietat d’espè-

Figura 7.  Representació simplificada d’un model dinàmic per a la polimerització no covalent amb formació d’agregats quirals en presència d’un TESE. Elaboració pròpia.

cies quirals. Recentment, Hawbaker i Blackmond [13] han mostrat experimentalment que la mínima diferència d’energia que es necessita per a assolir un escenari determinista en la reacció de Soai està entre els 1,5 · 10−7 i 1,5 · 10−8 kJ/mol. Aquest valor és més de cinc ordres de magnitud més gran que la diferència d’energies entre enantiòmers de molècules amb pesos moleculars mitjans (ca. 10−12 kJ/mol o menys, calculada teòricament) deguda a l’asimetria de la força nuclear feble (DEVP, diferència d’energia de violació de la paritat). Aquests valors mostren que els desequilibris enantiomèrics a causa de la DEVP són de l’ordre de 10−15 % ee per a α-aminoàcids (a favor dels isòmers naturals de configuració l). Aquests % ee són, però, molt inferiors als deguts a la fluctuació estadística de la composició racèmica, i, de fet, no s’ha pogut observar mai cap efecte causat per la DEVP a nivell molecular. Així mateix, la selecció de dalt a baix del signe de quiralitat mitjançant una polarització o força quiral macroscòpica —‌un vòrtex hidrodinàmic, per exemple— en reaccions de molècules discretes que tinguin lloc amb TESE en solució no es pot considerar una possibilitat viable, car el terme estocàstic de l’energia tèrmica (kBT ) predominarà sobre els efectes de les forces macroscòpiques en les energies d’espècies moleculars de mida petita o mitjana en solució. La situació és completament diferent quan considerem el TESE en la generació de sistemes supramoleculars quirals de mida superior. En aquest cas, és ben conegut que els vòrtexs quirals generats per agitació d’un líquid poden dur a la selecció del signe de quiralitat en diversos sistemes. Un exemple especialment adient és la publicació seminal de Ribó i col·laboradors de l’any 2001 [14], en la qual es descriu que, quan els agregats J de la forma diprotonada de la 5-­fenil-10,15,20tris(4-sulfonatofenil)porfirina ([H4TPPS3]–, 4·H4]) s’autoagreguen lentament per concentració sota l’acció d’un vòrtex d’agitació, hom obté conjunts d’agregats de signes de quiralitat oposada —‌com s’evidencia pels signes dels espectres de dicroisme circular bisignats—, segons el sentit de rotació —‌horari o antihorari— del vòrtex (figura 8). Després d’un cert escepticisme inicial, aquest resultat fou confirmat experimentalment per altres grups de recerca [11]. L’efecte dels vòrtexs es pot explicar mitjançant parells de forces hidrodinàmiques causades per l’agitació. En condicions d’agregació jeràrquica lenta, els vòrtexs hidrodinàmics es constitueixen en una polarització quiral efectiva que actua al nivell del TESE en els primers estadis de nucleació que con-

13


Figura 8.  a) TESE determinista en l’agregació de la porfirina amfifílica 4·H4. b) Les interaccions hidrofòbiques entre els grups Ph d’agregats laminars isotàctics formen bicapes quirals que s’uneixen per a formar cintes d’uns 400 nm de llargada, que donen lloc a espirals o helicoides per acció de parells de forces hidrodinàmiques. c) L’evaporació lenta amb agitació permet que el sistema creui lentament el punt de bifurcació (figura 3a), on la polarització quiral del vòrtex selecciona el signe de quiralitat dels agregats. Elaboració pròpia.

dueixen als agregats quirals (vegeu la figura 7). La quiralitat física dels parells de forces pot donar lloc a efectes diastereomèrics en partícules enantiomòrfiques que finalment determinen decisivament el biaix de quiralitat del creixement enantioselectiu de les partícules.

14

Pel que fa a la influència dels camps físics fonamentals quirals per a assolir un TESE determinista, s’ha publicat recentment [15] que l’efecte dels raigs còsmics polaritzats magnèticament és molt feble en monòmers quirals, però que la interacció amb biopolímers helicoidals és molt més forta i pot imposar un biaix quiral persistent en la destrucció preferent de les hèlixs de mà esquerra. Aquest efecte podria explicar l’emergència d’una única forma de vida quiral en una escala de temps de l’evolució, que conduiria a l’homoquiralitat després d’un nombre adient de cicles d’autoreplicació, i permet racionalitzar el signe de quiralitat homogeni de biopolímers com l’ADN, format per les hèlixs de mà dreta que s’obtenen per assemblatge de d-nucleòtids.

En resum, el TESE en la formació de sistemes supramoleculars quirals no solament és molt més freqüent que en reaccions químiques en solució (a causa de la presència del reconeixement i la replicació homoquirals en molts d’aquests sistemes), sinó que també és molt més sensible a les forces físiques de polarització quiral (ja siguin macroscòpiques o bé camps de forces), la qual cosa suggereix que aquest fet podria haver tingut un paper fonamental en l’origen de l’homoquiralitat biològica.

La catàlisi asimètrica absoluta (CASA) com a mecanisme alternatiu per a l’emergència de quiralitat a escala molecular Aquestes consideracions ens han conduït a la proposta d’un nou mecanisme per a la generació de quiralitat neta en siste-


mes moleculars, en què el TESE té lloc en la formació d’estructures supramoleculars quirals de mida gran (mesofases o agregats) a partir de monòmers aquirals. El biaix enantiomèric resultant es transmet posteriorment a una reacció catalítica enantioselectiva estàndard, i esquiva així el requisit fortament restrictiu de trobar xarxes de reaccions en solució que transcorrin amb autocatàlisi enantioselectiva eficient i amb dinàmica no lineal. Hem suggerit la denominació catàlisi asimètrica absoluta (CASA) per a aquesta aproximació, en la qual un monòmer aquiral forneix un agregat quiral no racèmic que és catalíticament actiu. La catàlisi asimètrica mitjançant nanoestructures supramoleculars quirals havia estat descrita en diverses ocasions [11a], si bé abans de la nostra proposta la inducció asimètrica es podia atribuir als centres quirals dels monòmers incorporats a la supramolècula. En definitiva, si un sistema supramolecular quiral obtingut de manera no racèmica (com a resultat d’un TESE en l’agregació d’espècies monomèriques aquirals) es pogués emprar com a catalitzador enantioselectiu en una reacció en solució, hom tindria una manera prèviament desconeguda de generar quiralitat neta a nivell molecular. En aquest cas, la transferència de quiralitat seria de dalt a baix, i no caldria que la TESE tingués lloc en la reacció emprada. En el cas concret dels agregats de porfirina que hem discutit en l’apartat anterior, hom demostraria, per primer cop, que la quiralitat física macroscòpica d’una força de tall hidrodinàmica es pot transferir al nivell de les molècules en solució, emprant la quiralitat morfològica de l’estructura supramolecular com un repetidor a nivell de mesoescala. Aquesta quiralitat mesoscò-

pica (longitud de l’ordre de nm) es trasllada aleshores a escala molecular —‌és a dir, a l’entorn local en què té lloc la catàlisi (longitud de l’ordre de pm)—, com es pot veure pels senyals de DC. Finalment, l’agregat es pot despolimeritzar per dilució i reciclar cap als monòmers aquirals, i es tanca així el cicle catalític (figura 9). El pas clau en aquest cicle catalític controlat per TESE era, doncs, el de l’existència d’un mecanisme de catàlisi viable per a la transferència de la quiralitat des de l’agregat quiral fins a molècules en solució. En absència de cations metàl·lics i d’altres contraions, els agregats J derivats de la porfirina monomèrica aquiral 3·H2 es poden visualitzar com a àcids sulfònics supramoleculars zwitteriònics quirals que regulen el pH del medi per la seva concentració ([H4TPPS4][H3O+]2). Això suggereix que els compostos orgànics catiònics se situarien a prop dels anions fenilsulfonat perifèrics de l’agregat. Vam intuir que la seva quiralitat local es podria traslladar a nivell molecular mitjançant un mecanisme de catàlisi asimètrica dirigida per contraanions (asymmetric counteranion-directed cataly­ sis, ACDC) [16]. La reacció que vam escollir per assajar aquesta hipòtesi fou la cicloaddició de Diels-Alder entre el trans-­ cinamaldehid i el ciclopentadiè, una reacció que transcorre en medi aquós mitjançant cations imini intermedis emprant sals quirals de pirrolidina com a organocatalitzadors enantioselectius (figura 10). Per obtenir els agregats quirals de porfirina en forma zwitteriònica (i evitar així la presència de contraanions aquirals que poguessin interferir en el mecanisme d’ACDC), vam preparar

Figura 9.  Emergència de quiralitat molecular mitjançant catàlisi asimètrica absoluta (CASA). Elaboració pròpia.

15


Figura 10.  Representació esquemàtica de la transferència de quiralitat de l’agregat de la porfirina protonada 3·H4 a una molècula discreta mitjançant la reacció de Diels-Alder assistida per ions imini, emprant una amina secundària cíclica aquiral (isoindolina) conjuntament amb l’agregat zwitteriònic de TPPS4 com a contraanió quiral. Elaboració pròpia.

16

la sal de dihidroni [H4TPPS4][H3O+]2 per sulfonació directa de la 5,10,15,20-tetrafenilporfirina (TPP), seguida de purificació de l’agregat àcid per centrifugació. L’addició de dos equivalents molars d’una amina aquiral secundària (isoindolina, vegeu la figura 10) a una suspensió aquosa de la forma zwitteriònica va fornir els heteroagregats iònics quirals [H4TPPS4·(amoni)2] desitjats. Els espectres d’UV-Vis i de DC van mostrar que l’estructura d’agregat J i la quiralitat neta es mantenien després de la substitució dels ions hidroni pels ions amoni. La utilització d’aquests heteroagregats com a catalitzadors va produir desviacions clarament mesurables de la composició racèmica (excessos enantiomèrics de fins al 5,9 %) en els productes quirals resultants de la cicloaddició de Diels-Alder entre el ciclopentadiè i el trans-cinamaldehid. A més, el sentit de la inducció asimètrica en aquesta reacció (és a dir, la configuració absoluta dels enantiòmers majoritaris dels adductes) es correlaciona de manera inequívoca amb el signe de la quiralitat supramolecular dels heteroagregats catalítics, que es pot escollir controlant les condicions inicials del procés d’agregació [17]. Aquests resultats han proporcionat per primer cop evidència directa de la possibilitat de transmissió de la quiralitat purament supramolecular generada per TESE a nivell molecular, i donen suport a la viabilitat

dels processos de CASA en l’obtenció enantioselectiva de compostos quirals partint de substrats aquirals i emprant les reaccions habituals de síntesi asimètrica catalítica.

Coda (a tall de conclusió) La formació determinista de sistemes supramoleculars amb control de la seva quiralitat neta a partir de monòmers aquirals podria haver tingut un paper clau en l’evolució química terrestre. En aquest context, resulta especialment atractiva la hipòtesi de la generació de biaixos quirals inicials en catalitzadors macromoleculars autoassemblats en la proximitat de fumaroles o xemeneies hidrotermals profundes en els oceans primitius, que presenten ambients químicament reactius amb condicions adients per a la síntesi prebiòtica continuada de compostos orgànics [18]. A causa dels grans gradients de temperatura a prop de les xemeneies, es generen microvòrtexs d’alta velocitat (104 rpm, amb una mida entre els 10−5 m i els 10−4 m) als microporus de les roques. Aquests microvòrtexs poden comportar l’emergència de quiralitat supramolecular per TESE durant el procés d’agregació d’unitats aquirals en condicions de flux continu, fora de l’equilibri [19]; de fet, han


Figura 11.  a) Fumarola hidrotermal actualment, a uns 2 100 m de fondària. Fotografia de domini públic amb llicència Wikimedia Commons. b) Hipòtesi esquemàtica de l’emergència de la quiralitat supramolecular causada per TESE en l’autoagregació de monòmers aquirals en el si de microporus de roques submarines. Adaptat de [19], sota llicència Creative Commons (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ ).

estat proposats com a escenaris per a la formació de polímers autoreplicatius i, fins i tot, d’organismes vius primigenis. Així, hom pot imaginar un escenari plausible en què molècules prebiòtiques aquirals es poden autoassemblar en els microporus rocosos de les fumaroles hidrotermals; els microvòrtexs quirals creats per la circulació de fluids en aquests microporus exercirien un parell de forces hidrodinàmic als nuclis formats en els estadis inicials del procés d’agregació, que tindria lloc amb TESE (figura 11). La propagació subsegüent d’aquest des­ equilibri enantiomèric mitjançant catàlisi asimètrica absoluta a reaccions protometabòliques relativament senzilles podria resultar en l’emergència de quiralitat neta a nivell molecular, i evitaria així les severes restriccions mecanístiques per a l’existència d’un TESE a reaccions químiques en solució (és a dir, xarxes de reacció no lineals basades en autocatàlisi enantioselectiva altament eficient). Atès que els sistemes supramoleculars mesoscòpics poden generar biaixos quirals persistents amb molta més facilitat que els monòmers quirals senzills en llur interacció amb els raigs còsmics polaritzats magnèticament [15], aquest escenari també podria explicar l’emergència d’una quiralitat uniforme per als biopolímers catalítics en l’escala temporal de l’evolució prebiòtica. En definitiva, si bé encara estem molt lluny de poder donar una resposta consensuada a la pregunta de com es va arribar a una quiralitat homogènia en les molècules biològiques, en les darreres dècades els avenços experimentals i teòrics en els processos de trencament espontani de la simetria (TESE), es-

pecialment a nivell de xarxes de reacció complexes i de sistemes autoassemblants, ens apropen cada cop més a la comprensió d’aquest fenomen i, de retruc, a la qüestió encara més fonamental de l’origen de la vida.

Agraïments El nostre agraïment ha d’anar en primer lloc al doctor Josep Maria Ribó, professor emèrit de la Universitat de Barcelona, qui ens va introduir en la temàtica dels trencaments espontanis de simetria especular, pel seu mestratge. Volem agrair també al doctor David Hochberg (CSIC-INTA, Madrid) la seva disponibilitat permanent per a respondre les nostres qüestions.

Referències [1]  a) Pasteur, L. «Relation qui peut exister entre la forme crystalline et la composition chimique, et sur la cause de la polarization rotatoire». Ann. Chim. Phys., 26 (1848), p. 535538. b) Pasteur, L. Leçons de chimie professées en 1860. París: Librairie de L. Hachette et Cie, 1860. [2]  Feringa, B. L.; Delden, R. A. van. «Absolute asymmetric syn­ thesis: The origin, control, and amplification of chirality». Angew. Chem. Int. Ed., 38 (1999), p. 3418-3438. [3]  Frank, F. C. «On spontaneous asymmetric synthesis». Bio­ chim. Biophys. Acta, 11 (1953), p. 459-463.

17


[4]  Kondepudi, D. K.; Nelson, G. W. «Chiral symmetry-breaking states and their sensitivity in nonequilibrium chemical systems». Physica A, 125 (1984), p. 465-496. [5]  Kondepudi, D. K.; Prigofine, I. Modern thermodynamics: From heat engines to dissipative structures. 2a ed. Chichester: J. Wiley & Sons, 2015. [6]  Crusats, J.; Hochberg, D.; Moyano, A.; Ribó, J. M. «Frank model and spontaneous emergence of chirality in closed systems». ChemPhysChem, 10 (2009), p. 2123-2131. [7]  Avetisov, V.; Goldanskii, V. «Mirror symmetry breaking at the molecular level». Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 93 (1996), p. 11435-11442. [8]  Soai, K.; Shibata, T.; Morioka, H.; Choji, K. «Asymmetric autocatalysis and amplification of enantiomeric excess of a chiral molecule». Nature, 378 (1995), p. 767-768. [9]  Athavale, S. V.; Simon, A.; Houk, K. N.; Denmark, S. E. «Structural contributions to autocatalysis and asymmetric amplification in the Soai reaction». J. Am. Chem. Soc., 142 (2020), p. 18387-18406. [10]  a) Valero, G.; Ribó, J. M.; Moyano, A. «A closer look at spontaneous symmetry breaking in aldol reactions». Chem. Eur. J., 20 (2014), p. 17395-17408. b) Valero, G.; Moyano, A. «Searching for spontaneous mirror-symmetry breaking in organoautocatalytic reactions». A: Pálvi, G.; Kurdi, R.; Zucchi, C. (ed.). Advances in asymmetric autocatalysis and related topics. Londres: Academic Press, 2017, p. 241-258. [11]  a) Liu, M.; Zhang, L.; Wang, T. «Supramolecular chirality in self-assembled systems». Chem. Rev., 115 (2015), p. 73047397. b) Buhse, T.; Cruz, J.-M.; Noble-Terán, M.; Hochberg, D.; Ribó, J. M.; Crusats, J.; Micheau, J.-C. «Spontaneous deracemizations». Chem. Rev., 121 (2021), p. 2147-2229.

18

[12]  Ohno, O.; Kaizu, Y.; Kobayashi, H. «J-aggregate formation of a water-soluble porphyrin in acidic aqueous media». J. Chem. Phys., 99 (1993), p. 4128-4139. [13]  Hawbaker, N. A.; Blackmond, D. G. «Energy threshold for chiral symmetry breaking in molecular self-replication». Nat. Chem., 11 (2019), p. 957-962. [14]  Ribó, J. M.; Crusats, J.; Sagués, F.; Claret, J.; Rubires, R. «Chiral sign induction by vortices during the formation of mesophases in stirred solutions». Science, 292 (2001), p. 20632066. [15]  Globus, N.; Blandford, R. D. «The chiral puzzle of life». Astrophys. J. Lett., 895 (2020), p. L11. 14 p. [16]  Mahlau, M.; List, B. «Asymmetric counteranion-directed catalysis: Concept, definition, and applications». Angew. Chem. Int. Ed., 52 (2013), p. 518-533. [17]  Arlegui, A.; Soler, B.; Galindo, A.; Arteaga, O.; Canillas, A.; Ribó, J. M.; El-Hachemi, Z.; Crusats, J.; Moyano, A. «Spontaneous mirror-symmetry breaking coupled to top-bottom chirality transfer: from porphyrin self-assembly to scalemic Diels-Alder adducts». Chem. Commun., 55 (2019), p. 12219-12222. [18]  a) Baross, J. A.; Hoffman, S. E. «Submarine hydrothermal vents and associated gradient environments as sites for the origin and evolution of life». Orig. Life Evol. Biosph., 15 (1985), p. 327-345. b) Martin, W.; Baross, J.; Kelley, D.; Russell, M. J. «Hydrothermal vents and the origin of life». Nature Rev. Microbiol., 6 (2008), p. 805-814. [19]  Sun, J.; Li, Y.; Yan, F.; Liu, C.; Sang, Y.; Tian, F.; Feng, Q.; Duan, P.; Zhang, L.; Shi, X.; Ding, B.; Liu, M. «Control over the emerging chirality in supramolecular gels and solutions by chiral microvortices in milliseconds». Nat. Commun., 9 (2018), p. 2599. 8 p.


J. Crusats

A. Moyano

Joaquim Crusats és llicenciat en química per la Universitat de Barcelona (UB, 1989), on també obtingué el doctorat en química orgànica sota la direcció del professor Josep M. Ribó treballant en el camp de les porfirines autoassemblants. Després d’una estada postdoctoral de divuit mesos a la Universitat de Kyoto, es reincorporà a la UB, on ha estat professor ajudant i investigador Ramon y Cajal i on actualment és professor agregat de química orgànica des del 2007. Albert Moyano va néixer el 1955 a Barcelona. És llicenciat en química per la Universitat de Barcelona (UB, 1978), on també es va doctorar en química orgànica, sota la direcció del doctor Fèlix Serratosa. Després d’una estada postdoctoral a la Universitat de Grenoble (1985-1986) amb el doctor Andrew Greene, on va prendre contacte amb la síntesi asimètrica, tornà a la UB, on és catedràtic des del 2003. Les seves línies de recerca actuals se centren en nous mètodes de catàlisi asimètrica i en l’estudi dels processos de trencament espontani de la simetria especular.

19


Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 20 (2021), p. 20-31 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853  DOI: 10.2436/20.2003.01.123 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

European project LIBERATE “Lignin biorefinery approach using electrochemical flow”: Towards the electrification of chemical biorefineries Projecte europeu LIBERATE «Enfocament a la biorefineria de lignina mitjançant flux electroquímic»: cap a l’electrificació de les biorefineries químiques Carlos Troyano, Òscar Alonso, Oriol Angurell, Marc Belenguer, Marcel Boerrigter, Miguel González, Sonia Matencio i Ángel M. Valdivielso Centre Tecnològic LEITAT

Abstract: The European project LIBERATE aims to deliver a pilot-scale electrochemical plant to demonstrate the commercial opportunities of converting low-cost lignin feedstocks into high-value biosustainable chemicals. The project is focused on obtaining added-value products from different types of lignin and cyclohexanols coming from wood and straw. This article explains how the project is organised to achieve this goal, with the essential contributions of many academic and industrial disciplines from different countries. Keywords: Lignin, electrochemistry, flow chemistry, biorefinery.

Resum: El projecte europeu LIBERATE té com a objectiu principal dissenyar una planta electroquímica a escala pilot per demostrar les oportunitats comercials de transformar matèries primeres de lignina de baix cost en productes químics biosostenibles d’alt valor industrial. Per tal d’obtenir productes útils de valor afegit, el projecte té en compte diferents tipus de lignina i ciclohexanols provinents de la fusta i de la palla. En aquest article s’explica com està organitzat el projecte a fi d’assolir l’objectiu en qüestió, per a la qual cosa és fonamental l’aportació de moltes disciplines acadèmiques i industrials de diferents països. Paraules clau: Lignina, electroquímica, química de flux, biorefineria.

Introduction

L

ignin is a complex organic polymer which forms part of the lignocellulosic material of most plants (figure 1). Lignocellulosic biopolymers strengthen the cell wall of plants and consist of three main components: cellulose (38-50 %) and hemicellulose (23-32 %) form a framework in which lignin is incorporated as a kind of connector, thus so­lid­ i­fy­ing the cell wall [1]. Lignin is mainly concentrated in the cell walls of wood and makes up about 20-35 % of the mass of every tree or plant. After cellulose, it is the most renewable organic source on Earth. The total lignin present in the bi­o­ sphere exceeds 300 billion tonnes and annually increases by around 20 billion tonnes. This organic polymer lacks a well-defined structure. Lignin has unique properties, including its highly aromatic nature

20

Contact address: Carlos Troyano Centre Tecnològic LEITAT Districte 22@. C. de Pallars, 179-185. 08005 Barcelona (Spain) Tel.: +34 937 882 300. Fax: +34 937 891 906 E-mail: ctroyano@leitat.org

Figure 1.  Representation of a possible lignin structure. Source: Prepared by the authors.


G unit) and sinapyl alcohol (syringyl or S unit) [2] (figure 2). The monolignol unit has hydroxy- (–OH) and methoxy(–OCH3) substituted phenylpropane units which are joined through several dissimilar linkages to form a high molecular weight structure. Lignin can have a variety of structures and compositions, depending on the specific plant or tree species, the season, the climate and the plant age. Moreover, the composition of lignin will closely depend on the plant species, in terms of both H/G/S composition and the relative abundance of the chemical linkages in the polymer (figure 3).

Figure 2.  The three common monolignol building blocks of lignin. Source: Prepared by the authors.

and lower oxygen content compared to polysaccharides, making it a highly interesting biopolymer to be converted into renewable chemical building blocks and related fuels and materials. Even though it is a complex, irregular and randomly cross-linked phenolic polymer, the various types of lignin can be differentiated by considering their composition. Overall, lignin is composed of three different primary phenylpropane monomer or monolignol units of p-coumaryl alcohol (p-­hydroxyphenyl or H unit), coniferyl alcohol (guaiacyl or

As commented above, lignin is found in lignocellulosic material along with cellulose and hemicellulose. The process applied to the biomass to separate lignin from other components causes a significant alteration of its molecular structure, thus leading to “technical lignins”. Consequently, the characteristics of the technical lignin are different as regards molecular weight, water solubility, degree of contamination, extent of condensation and functional group decoration of the macromolecule. Several types of technical lignins are obtained, depending on the pre-treatment process used. For instance, kraft lignin is obtained as a by-product of paper production (treatment of wood chips with a hot mixture of water, sodium hydroxide [NaOH] and sodium sulphide [Na2S]),

Figure 3.  Typical lignin linkages in soft- and hardwoods and grasses. Adapted from [3].

21


incorporating covalently into its structure sulphur species that can have consequences for further valorisation. However, high-purity sulphur-free organosolv lignin is obtained by solvent extraction under mild conditions at lab scale. The features of some typical lignins are briefly listed in table 1. Table 1.  Features of several types of lignin. Adapted from [4]. Type of lignin

Pre-treatment chemistry

Separation method

Sulphur content

Scale of production

Lignosulphonates

Acid

Ultrafiltration

High

Industrial

Kraft

Alkaline

Precipitation

Moderate

Industrial

Soda

Alkaline

Precipitation

Free

Industrial

Organosolv

Acid

Extraction

Free

Pilot/lab

The use of lignin as biofuels, chemicals and a food source in future biorefineries is a topic of growing scientific interest [5]. At present, lignin is primarily used for energy generation but it is also used for dispersants, emulsifiers, plastics/polymers, aromatics or stiffness enhancers in board products. All current pre-treatment methods, however, lead to technical lignins in which the molecular structure is significantly altered with respect to native lignin, and which will be chemically more recalcitrant to depolymerisation and valorisation. Therefore, it is necessary to work towards achieving lignin valorisation with the best-suited lignin structure for chemical conversion to obtain the targeted product.

22

Reported traditional methods of depolymerisation can mainly be divided into hydrolysis reactions, catalytic reductions and catalytic oxidation reactions. Hydrolysis in alkaline aqueous solution can generate phenol derivates but the yield is as low as <10 % [6]. Catalytic reductions disrupt the structure and remove chemical functionalities from lignin to produce cyclic hydrocarbons and aromatics with a yield of up to 6 % at high temperatures [7]. Catalytic oxidation reactions tend to form aromatic compounds with additional functionality. As an example, lignosulphonate oxidation leads to the basic chemical vanillin [8], which is the only commercialised copper catalytic oxidation process, known as the Borregaard process (around 2 %) [9]. Thus, lignin depolymerisation into value-added aromatic products under unconventional methods such as electrochemistry, microwave chemistry, mechanochemistry or sonochemistry would greatly benefit both the fine chemical industry and green renewable chemistry [10]. In general, these processes are a promising environmentally friendly alternative for lignin depolymerisation under milder conditions.

LIBERATE concept: Flow electrochemistry from lab scale to pilot plant The European LIBERATE project has as its main objective the delivery of a pilot-scale electrochemical plant to demonstrate the commercial possibilities of converting low-cost lignin feedstocks into high-value biosustainable chemicals (figure 4), overcoming the technical developments, pilot line scale-up and commercial exploitation barriers of the next generation of biorefineries. As a key point in this respect, the system will be modelled and physically integrated with renewable energy sources to deliver a process that is capable of synthesising chemicals with nearly zero CO2 emissions. Moreover, the renewable energy integration will open up new business models for biorefinery operators to utilise peak renewable energy at discounted rates. Thus, LIBERATE will provide the following benefits: (a) an electrochemical depolymerisation of kraft lignin to synthesise vanillin with a 7 % yield since synthetic vanillin is now used more often than natural vanilla extract as a flavouring agent in foods, beverages and pharmaceuticals; (b) an electrochemical depolymerisation of organosolv lignin to synthesise mixed phenolic derivate oligomers with a yield of >35 %, which have a wide range of uses, for instance they can be used as antioxi-

Figure 4.  Overview of key steps to obtain useful chemicals from lignin feedstocks by electrochemical flow. Source: Prepared by the authors.


Figure 5.  Overview of the main processes carried out in LIBERATE to obtain useful chemicals from different types of lignin and cyclohexanols. Source: Prepared by the authors.

dants, adhesives and aromatic aldehydes; (c) an electrochemical oxidation of biosustainable cyclohexanol (obtained from lignin) to synthesise propyl adipic acid with a yield of up to 80 %, which can be used to prepare new polyamides and unsaturated polyester with new and interesting applications (figure 5). In addition, it will provide a biorefinery process capable of accommodating fluctuations in renewable energy sources without loss of efficiency (providing a 95 % improvement in the energy efficiency of the process and a 350 % improvement in resource energy), with the capability of producing 29 times less CO2 than the conventional petrochemical alternatives. In this way, highly efficient and selective anodic electrochemical oxidation will be applied to the depolymerisation of lignin and the synthesis of propyl adipic acid from cyclohexanol to provide a range of biosustainable feedstocks for drop-in replacements or for superior product performance.

Implementation of LIBERATE To achieve the above-mentioned objectives, the contribution of many disciplines, both in academia and industry, is required. For this reason, LIBERATE represents a powerhouse consortium, including three major multinational chemical companies (Evonik, Perstorp and Oxiris), SMEs (Chimar, Megara, NX Filtration, Condias, Enso Innovation, Idener and Gate to Growth), four internationally regarded research and technology organisations (TNO, Fraunhofer, LEITAT and Sintef), and leading European universities (Johannes Gutenberg-­Universität Mainz and Universidad de Alicante) (figure 6). This project is coordinated by LEITAT and has a total budget of €10,047,735, with funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme (€8,763,489) under grant agreement no. 820735.

Figure 6.  LIBERATE consortium formed by universities, research centres and companies from different countries. Source: Prepared by the authors.

23


Figure 7.  Interaction among the different WPs of the LIBERATE project. Source: Prepared by the authors.

The work plan to achieve the project’s objectives is organised in nine work packages (WPs), which are related to each other as shown in figure 7.

WP1. Specifications The main objective of this work package is to finalise and agree on the system requirements for processing lignin. Consequently, it will comprise the selection of the starting materials, including such aspects as the origin of the lignin, types of lignin, solvents and pre-treatments. The minimum components of the final system will be also described, together with its main characteristics, parameters, energy requirements, final product targets and the specifications of the pilot plant.

WP2. System design and process optimisation

24

This work package is focused on carrying out lab scale tests of the designed reactors and their optimisation. Moreover, it will determine the most suitable lignin sources and the pre-­ treatment for the individual electro-conversion, identifying appropriate materials, conditions, and design (figure 8). Consequently, the lignin samples produced from the biomass

Figure 8.  Lignin depolymerisation tests carried out by LEITAT. Source: Photo from the authors.


Figure 9.  Electrochemical reactor design by LEITAT. Source: Prepared by the authors.

feedstocks and pre-treatment processes selected in WP1 and the impact on the lignin composition, as well as the relevant physical properties for the flow reactor, will be investigated. The reactor design will be implemented at lab scale as a prototype and tested to evaluate its performance. The laboratory reactors will demonstrate their performance by measuring different parameters to validate the design and to establish valid cost-efficient work-up strategies (figure 9).

reactor; (b) manufacture the electrodes with the required performance (additive manufacturing techniques will be considered to produce electrodes allowing geometries and surfaces that are impossible to achieve by traditional techniques) (figure 10); and (c) select and evaluate the purification and separation techniques from WP2 under the final system conditions.

WP4. Techno-economic validation WP3. Chemistry development The implementation of the LIBERATE processes into a lab flow system, including electrochemical reactors and downstream to validate the technologies before the pilot demonstration, will be carried out in this WP. Specifically, in this work package we will: (a) obtain a process model capable of predicting mass transfer, flow rate and outputs that occur within the

The main objectives of this work package are to optimise the integration of the LIBERATE system with renewable energy sources and to prove the viability of the technology for its implementation in different scenarios. In this respect, the availability of renewable resources at the facility location, the profile of the use in biomass processing, and the renewable facilities (if any) which are currently installed are factors that will be considered in the model of the integrated system.

Figure 10.  Additive manufacturing laboratories from LEITAT. Left: Renishaw RenAM_500Q machine. Right: Printing process. Source: Photo from the authors.

25


Likewise, the environmental performance of the defined test cases will be quantified and analysed based on the life cycle assessment (LCA) methodology. LCA is considered the best framework for assessing the potential environmental impacts of the products. This study will examine in depth every stage of the whole system developed in LIBERATE.

WP5. Pilot line design, build and commissioning During WP5, the partners will work on the design, construction and demonstration of a continuous flow system pilot at demo scale at TRL6 with direct coupling to photovoltaic panels. The work will be based on the specifications defined in WP1 and the requirements for end-product validation defined in WP4. Critical technical input on reactor design and downstream separation design will be obtained from the work carried out in WP2 and WP3 (figure 11).

Figure 11.  (a) Schematic representation and (b) photograph of the set-up employed for the membrane evaluation in total recycle mode carried out at LEITAT with membrane modules from NX Filtration. Source: Prepared by the authors.

26

Consequently, depending on the method chosen by the consortium to deliver the most promising lignin quality, organosolv lignin will be provided (figure 12). Trials will be embedded within the single integrated piloting facility, including all downstream activities for provision of sufficient data to LCA.

Figure 12.  Pilot plant from Fraunhofer CBP (Leuna, Germany) to produce organosolv lignin. Source: Photo from the authors.

WP6. Industrial demonstration In this work package, the LIBERATE technology will be demonstrated over a period of 9-12 months at Sintef in Trondheim, Norway (figure 13). The commissioning of the entire system and its subsequent demonstration will be performed continuously to minimise costs. The following factors will be considered: (a) the economic validation of the LIBERATE process, including OPEX and CAPEX; (b) an LCA (already explained in WP4) of the completed process, including how LIBERATE meets the impact requirements; and (c) production and optimisation of end products for validation.

Figure 13.  Test site at Trondheim, Norway (Sintef), where the future pilot plant will be installed and commissioned. Source: Photo from the authors.

WP7. Exploitation As a project with a high TRL, it is necessary to develop a viable business plan to maximise the chances of post-project com-


mercial success and to assure that the project’s intellectual property and its results are adequately protected, maintaining an exploitation risk register for review at meetings held every 6 months. The ultimate commercial exploitation of the results will be of the utmost importance throughout the duration of the project to ensure the maximum impact both inside and outside the project consortium.

WP8. Dissemination and communication This work package is responsible for defining measures to ensure that the project’s results are communicated and disseminated to society (figure 14). In this respect, the tasks of this work package are aimed to: (a) assure that there is ongoing communication between the consortium and the public; (b) support knowledge exchange between the partners through workshops with internal/external groups; (c) optimise integration effects and collaboration by means of training activities; and (d) produce an education package which will easily be inte-

grated into existing curricula and modules for undergraduate level programmes, master’s programmes and short courses.

WP9. Project coordination Lastly, this work package comprises the development of an appropriate management framework so that all knowledge is created and disseminated in a coordinated and coherent manner. All technical activities, legal aspects and other issues are managed to a high standard. It is important to ensure that all project results are formulated and compiled in a form that can be protected by the most appropriate legally enforceable protection method. This WP is also responsible for the control and management of scientific knowledge transfer from the research consortium members to enable this technology to be applied in new markets and applications. In addition, the benefits of the developed technology and knowledge should be communicated beyond the consortium to other potential industrial communities, and the social economic impact of the generated scientific knowledge and technology should be suitably managed and accessed.

Progress beyond the state of the art

Figure 14.  LEITAT presenting LIBERATE at the BBI 2020 Proposal Development Workshop on December 5th. Source: Photo from the authors.

In the first 18 months of project, LIBERATE achieved the following results: (a) batch production of vanillin from commercial kraft lignin with a yield of up to 6 % wt (at least three times higher than the current commercial process) and 91 % effectiveness (compared to the highest theoretically calculated yield); (b) production of propyl adipic acid with a yield of about 60 %, in which several electrode materials and geometries were evaluated using different techniques, including traditional manufacturing, additive manufacturing and chemical vapor deposition; in this respect, the transfer of both reactions to a larger electrode surface, i.e., a larger area, was established without significant changes regarding yield or selectivity; (c) different reactor approaches were designed, including a filter-press reactor and a tubular reactor to transfer the reactions from a batch system to a flow system. These reactors are in the process of manufacture and testing with the respective procedures to validate and select the best options for implementation (figure 15); and (d) lab tests were carried out, using different single module filtration to purify

27


Figure 16.  Organosolv lignin produced for LIBERATE in the pilot plant at Fraunhofer CBP. Source: Photo from the authors. Figure 15.  Flow electrochemical cell from Condias. Source: Photo from the authors.

the final compounds, obtaining retentions of around 85 % for lignin and of up to 75 % for different phenolic compounds. These modules could be coupled with a flow separation system using ion exchange resins that, by tuning the solvent conditions, would allow nearly all the mono-aromatic phenols to be recovered. Regarding the initial lignins, LIBERATE produced different organosolv lignins from softwood, hardwood and herbaceous biomass under various fractionation conditions and staged lignin precipitation for improving the electrochemical depolymerisation efficiency (figure 16). In general, the validation of fractionation conditions of the electrochemical lignin depolymerisation behaviour revealed differences in depolymerisation rates, although no lignin type was found to significantly outperform the others. In the course of the project, a total of 8 exploitable results have been identified and a more detailed business plan will be developed for each of the results as the project progresses.

Conclusions

28

In conclusion, the overall concept of the LIBERATE project is to extract valuable chemical products from an existing waste stream such as lignin. By the end of 2022, the project will deliver a fully characterised continuous electrochemistry-based biorefinery system for lignin valorisation. The system will use kraft and organosolv lignin as feedstocks along with cyclohexanols to generate vanillin, biogenic adipic acid ana-

logues and biophenols, respectively, which are of high value and high industrial interest. The low heat and energy input requirements of this continuous process readily enable its integration with renewable energy generators. Thus, lignin depolymerisation into value-added aromatic products under mild conditions will greatly benefit both the value-added fine chemical industry and the green/renewable chemistry sector, substituting the current conventional methods.

Acknowledgment This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement no. 820735. The authors thank the partners Condias, Fraunhofer CPB and Sintef for sharing images for this article.

References [1]  Chávez-Sifontes, M.; Domine, M. E. “Lignina, estructura y aplicaciones: Métodos de despolimerización para la obtención de derivados aromáticos de interés industrial”. Av. Cien. Ing., 4 (4) (2013), 15-46. [2]  Ponnusamy, V. K.; Dinh, D. N.; Dharmaraja, J.; Shobana, S.; Saratale, R. G.; Chang, S. W.; Kumar, G. “A review on lignin structure, pretreatments, fermentation reactions and bio­re­ fin­ery potential”. Bio. Tech., 271 (2019), 462-472. [3]  Rinaldi, R.; Jastrzebski, R.; Clough, T. M.; Ralph, J.; Kennema, M.; Bruijnincx, A. C. P.; Weckhuysen, M. B. “Paving the way for


lignin valorisation: Recent advances in bioengineering, biorefining and catalysis”. Angew. Chem. Int., 55 (2016), 81648215. [4]  Mood, S. H.; Golfeshan, A. H.; Tabatabaei, M.; Jouzani, G. S.; Najafi, G. H.; Gholami, M.; Ardjmand, M. “Lignocellulosic biomass to bioethanol, a comprehensive review with a focus on pretreatment”. Renew. Sustain. Energy Rev., 27 (2013), 7793. [5]  Villanueva, G. R. A.; Céspedes, G.; Martínez, A. C.; Celia, A.; Carvajal, A.; Yailet; Ramos, V. G. “Lignin valorization in biorefin­ ery concept (I)”. Centro Azúcar, 47 (2020), 95-105. [6]  Zhu, H.; Wang, L.; Cheng, Y.; Li, G.; Li, H.; Tang, Y.; Wan, P. “Electrochemical depolymerization of lignin into renewable aromatic compounds in a non-diaphragm electrolytic cell”. RSC Adv., 4 (2014), 29917-29924.

[7]  Zakzeski, J.; Jongerius, A. L.; Bruijnincx, P. C. A.; Weckhuysen, B. M. “Catalytic lignin valorization process for the production of aromatic chemicals and hydrogen”. ChemSusChem, 5 (2012), 1602-1609. [8]  Bjørsvik, H.; Minisci, F. “Fine chemicals from lignosulfo­ nates. 1. Synthesis of vanillin by oxidation of lignosulfonates”. Org. Process Res. Dev., 3 (1999), 330-340. [9] Tjosås, F. Utilisation of waste stream [on line]. BioRefine-­ 2G workshop 2017. <https://www.biorefine2g.eu/images/ WS-Stockholm/2-BioREFINE-2G_Workshop_EUBCE2017 _Stockholm_Tjosas_Borregaard_web.pdf>. [10]  Behling, R.; Valange, S.; Chatel, G. “Heterogeneous cat­a­lyt­ ic oxidation for lignin valorization into valuable chemicals: What results? What limitations? What trends?”. Green Chem., 18 (2016), 1839-1854.

29


C. Troyano

M. Boerrigter

Ò. Alonso

O. Angurell

M. González

M. Belenguer

S. Matencio

Á. M. Valdivielso

Carlos Troyano holds a Chemistry degree (2017) and Master’s degree in Organic Chemistry (2018) from the Universitat de Barcelona (UB). During the academic period, his research was focused on the synthesis, characterisation and study of new water-soluble porphyrins. He is currently a junior researcher in the Applied Chemistry & Materials Department (Synthesis Group) at LEITAT Technological Center, participating in national, industrial and European projects related to organic chemistry. He has also acquired expertise in such fields as general organic synthesis, electrochemistry, sonochemistry, sol-gel technology and flow chemistry. Òscar Alonso is an industrial engineer specialised in Mechanics who graduated at the Universitat Politècnica de Catalunya (final degree project at the University of California, Irvine). During the study period, he was trained in computer aided design (CAD tools) with CATIA and SolidWorks, and in automotive technologies and manufacturing processes. Òscar is the Additive Manufacturing and 3D Printing area manager of the Energy and Engineering Department at LEITAT, coordinating the team and participating in R & D proposals and projects, industrial innovation and new advanced applications. His expertise is re­lat­ed to the fields of device design and development, mechanical design and calculation, reverse engineering, production and inspection processes in the automotive industry, and manufacturing technologies, with special emphasis on additive manufacturing and 3D printing. Oriol Angurell graduated in Chemistry (2019) and obtained a Master’s degree in Organic Chemistry (2020) at the Universitat de Barcelona (UB). During his academic period, he investigated new synthetic strategies using hypervalent iodine in IQAC. He made a stay in the Instituto de Biomedicina de Sevilla (IBiS), measuring the glycolytic rate in the mouse brain. He returned to IQAC to carry out his master’s degree project on synthetising molecules related to bacterial quorum sensing. He is currently working at LEITAT Technological Center as a junior researcher in the Applied Chemistry & Materials Department on R & D projects. He participates in national, industrial, and European projects related to organic chemistry. He has acquired experience in flow chemistry, electrochemistry, sonochemistry and synthesis of different industrial products at laboratory scale. 30


Marc Belenguer graduated from the Universitat de Barcelona (UB) in 2007. He continued his training with master’s and doctoral studies in the Laboratory of Electrodeposition and Corrosion (ElectroDep) at the Universitat de Barcelona, working with synthesis of Ni composites and synthesis of metal nanowires in alumina substrate for different uses such as biological sensors. In 2014 he moved to the École Nationale d’Ingenieurs de Tunis (ENIT), where his main concern was sol-gel coatings applying electrochemistry conditions. After obtaining his PhD in 2016, he started to work in an industrial tender assessment, involving characterisation, development, production in small-medium scale and up-scaling of coatings as per customer requirements. Now he is an R & D researcher in the Energy Storage Group of LEITAT Technological Center, working on industrial offers and participating in national and European projects for the development of energy storage devices. He has worked on printed devices and lithium-ion batteries for energy storage. Marcel Boerrigter is a senior researcher at LEITAT. He has a Bachelor of Science degree in Chemistry from the Hogeschool Enschede (Saxion University of Applied Sciences), Enschede, The Netherlands (1996). From 1997 to 2012, he worked at the European Membrane Institute (EMI) in the Netherlands. He performed confidential contract research for companies/insti­ tutes worldwide and research in various European projects in the field of membrane science and technology. Since October 2012, he has been a senior researcher leading the Membrane Unit at LEITAT Technological Center on the investigation and development of new membranes combined with nanomaterials for gas and water purification for various European and national projects. His main competences involve membrane manufacture (flat sheet, hollow fibre and nanofibre) development and characterisation for microfiltration (MF), ultrafiltration (UF), nanofiltration (NF), reverse osmosis (RO), pressure retarded osmosis (PRO), pervaporation, gas separation and electrodialysis, among other applications. Miguel González holds a Master’s degree in User Experience at La Salle–Universitat Ramon Llull and a Postgraduate degree in advanced CAD at Universitat Politècnica de Catalunya. He is a graduate in Engineering in Industrial Design at Elisava School of Design and Engineering of Barcelona. Specialised in computer aided design (CAD) and materials, he is a technical engineer of public works (specialty in civil constructions) at the Universidad de Salamanca. He is currently working at LEITAT Technological Center on R & D & I projects as a product design engineer in the Technology Integration and Product Development Department. His expertise is related to product design and development, design techniques and processes, materials, manufacturing processes, prototyping and interface design, as well as CAD, rendering and materials software. Sonia Matencio holds a degree in Chemistry (2009) and a PhD in Nanoscience (2015) from the Universitat de Barcelona. She is a researcher at LEITAT Technological Center in the Applied Chemistry and Materials Department, where she is in­ volved in national and international projects in the field of membrane science and technology. Her research is focused on the development of polymeric nanofibres by electrospinning for air and water pollution, liquid membranes for metal sepa­ ration, membranes for separation of lignin and other basic chemicals, and modifications of nanocellulose for water puri­ fication. Ángel M. Valdivielso holds a PhD in Chemistry (2012, Universidad Complutense de Madrid). He is a senior researcher at LEITAT in the Applied Chemistry and Materials Department, in charge of the Organic Chemistry Unit. His research career has been focused on organic chemistry in different fields such as synthetic organic chemistry, medicinal chemistry and supramolecular chemistry. His research currently comprises different lines in the organic synthesis area, including custom syn­ thesis, flow chemistry and unconventional synthetic methods (mainly electrosynthesis, microwave and ultrasound) and their application to industrial services. Ángel has been involved in and coordinated several European (FP7 and H20202 frame­ work), national (basic and applied research) and industrial projects. He has also participated in several conferences, pub­ lished papers in international scientific journals, and obtained patents in the fields of organic chemistry and material science.

31


Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 20 (2021), p. 32-51 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853  DOI: 10.2436/20.2003.01.124 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Avenços recents en el desenvolupament de molècules orgàniques fotoactives per a la capa activa en cèl·lules solars orgàniques eficients Recent advances in the development of photoactive organic molecules for the active layer in efficient organic solar cells Cristina Rodríguez-Seco,1 Eugenia Martínez-Ferrero2 i Emilio Palomares2 Institut National de la Recherche Scientifique (INRS). Énergie Matériaux et Télécommunications Research Centre, Varennes (QC, Canadà) 2 Institut Català d’Investigació Química (ICIQ)

1

Resum: En aquest article es descriuen els components, les diferents estructures i els principis de funcionament de les cèl·lules solars orgàniques. Es posa una atenció especial en els materials que formen part de la capa fotoactiva —‌tant els donadors com els acceptors—, se’n descriuen les propietats a partir de l’estructura molecular i es relacionen amb l’eficiència que assoleixen els dispositius. Paraules clau: Tecnologia fotovoltaica orgànica, polímers, molècules petites, materials electrodonadors, ful·lerè, acceptors no ful·lerens.

Abstract: The aim of this review is to describe the components, the different structures, and the functioning of organic solar cells. Special attention is given to the most significant recent organic materials that form part of the active layer. Their molecular structure and their main characteristics are associated with the efficiency achieved in order to understand the rational molecular design required for the development of more efficient organic-based photovoltaics. Keywords: Organic photovoltaics, polymers, small molecules, electron donor materials, fullerene, non-fullerene acceptors.

Introducció

L’

augment de la població del planeta i el desenvolupament industrial dels països emergents faran créixer d’una manera inevitable la demanda d’energia elèctrica en els propers anys. Actualment, prop del 80 % del subministrament energètic mundial es basa en combustibles fòssils com el carbó, el petroli o el gas. Les estimacions, segons un informe de l’agència McKinsey & Company, preveuen que per al 2050 es doblarà la demanda d’energia, i que el 30 % d’aquesta correspondrà a energia elèctrica davant del 18 % actual [1]. Tenint en compte que tres quartes parts de les fonts primàries d’energia utilitzades avui al món són no renovables (carbó, gas i petroli, principalment) —‌i, en conseqüència, limitades—, cal fer un gran esforç per a desenvoCorrespondència: Eugenia Martínez-Ferrero; Emilio Palomares Institut Català d’Investigació Química (ICIQ) Av. dels Països Catalans, 16. 43007 Tarragona Tel.: +34 977 920 200. Fax: +34 977 920 224 A/e: emartinez@iciq.es; epalomares@iciq.es

32

Cristina Rodríguez-Seco Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) 1650 Bd Lionel-Boulet, QC J3X 1P Varennes, Canadà Tel.: +1 450 929 8100 A/e: cristina.rodriguez.seco@inrs.ca

lupar fonts d’energia renovables que permetin el proveïment de la població amb el mínim impacte per al medi ambient. La disponibilitat d’energia solar supera de molt qualsevol demanda d’energia potencial en el futur. De fet, la quantitat d’energia solar que arriba a la Terra per hora (1,4 × 1030 J) és superior al consum d’energia anual. Per aquest motiu, els dispositius fotovoltaics, que tenen la capacitat de transformar la llum solar en energia elèctrica, són una opció excel·lent per a poder garantir el subministrament elèctric en el futur. La primera cèl·lula solar que es va descriure té les arrels en el procés anomenat fotoelectroquímic. El 1839, A.-H. Becquerel va observar el flux de corrent resultant entre dos elèctrodes de plata en un medi que contenia un electròlit quan van ser exposats a una font de llum [2]. Després, W. G. Adams i R. E. Day van observar la influència de la llum solar en el rendiment dels cables de seleni, utilitzats en telecomunicacions, la qual cosa provava que un material sòlid pot generar electricitat quan està exposat a la llum [3]. No obstant això, no van ser prou eficients per a convertir més del 0,5 % de l’energia solar en electricitat. Accidentalment, el 1953 els investigadors dels Laboratoris Bell (Estats Units) van descobrir la primera cèl·lula solar d’unió p-n de silici. Un cop feta l’optimització del dispositiu, les cèl·lules solars de silici van poder convertir la


llum en electricitat amb una eficiència del 6 %, fet que va permetre començar-ne la comercialització [4], inicialment destinada a equipar els satèl·lits dels Estats Units. Les cèl·lules basades en el silici cristal·lí formen la primera generació de cèl·lules solars. Formades per silici mono- o policristal·lí, les capes tenen gruixos entorn de les cent micres, obtenen eficiències al voltant del 25 % al laboratori i tenen una vida útil d’entre vint-i-cinc i trenta anys. Per aquest motiu, continuen sent la tecnologia fotovoltaica predominant en el mercat amb panells que ofereixen entre el 18 % i el 22 % d’eficiència [5]. Malgrat els avantatges del silici —‌com, per exemple, la seva abundància—, el procés de purificació del material de partida necessari per a aconseguir una unió n-p adient requereix molta energia. La segona generació de cèl·lules va sorgir, precisament, amb l’objectiu de disminuir el cost per watt d’energia produïda a força de reduir el gruix dels dispositius i la seva composició. Els dispositius resultants es basen en semiconductors inorgànics amorfs, nano- o policristal· lins dipositats sobre substrats de baix cost. Les composicions més habituals són silici amorf (a-Si), tel·lurur de cadmi (CdTe)

o les cèl·lules CIGS (fetes de coure, indi, gal·li i seleni) i es troben en aplicacions concretes del mercat, com ara estacions autònomes de generació d’electricitat no connectades a la xarxa. Finalment, la recerca per a proporcionar cèl·lules solars de baix cost, flexibles i altament eficients ha continuat i en els últims trenta anys han sorgit diferents alternatives que constitueixen la tercera generació de cèl·lules solars. Per exemple, el 1991, M. Gratzel i B. O’Regan van desenvolupar les cèl·lules solars sensibilitzades (DSSC, dye-sensitised solar cells), les quals consten d’un semiconductor mesoporós que, gràcies a l’augment en mil vegades de l’àrea superficial, permet una concentració més gran de la molècula fotoactiva, anomenada colorant. Això va tenir com a resultat una absorció de llum més eficient, amb un augment del fotocorrent i de l’eficiència del dispositiu [6]. Altres alternatives que constitueixen la tercera generació són els dispositius basats en molècules orgàniques com a materials fotoactius, o en la perovskita, que han atret molta atenció en els darrers anys. A la figura 1 es mostra un esquema amb l’evolució de l’eficiència dels diferents tipus de dispositius des que es van crear fins

Figura 1.  Gràfics que descriuen l’evolució de les eficiències rècord reportades a la literatura en funció dels anys en cèl·lules a nivell de laboratori [10] (a dalt) i en mòduls [11] (a baix) [7]. Imatges cedides pel National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO, dels Estats Units.

33


avui. Es pot observar que els dispositius més recents són els que han mostrat un creixement més ràpid de l’eficiència, especialment en els últims deu anys [7]. En concret, els dispositius basats en molècules orgàniques i en perovskites han millorat les seves eficiències fins a un 18,6 % i un 25,6 %, respectivament [8, 9], i han rebut molta atenció per part de la comunitat científica. Per altra banda, cal destacar que les diferents tecnologies es poden combinar en dispositius multiunió o en cèl· lules tipus tàndem per tal d’aprofitar els avantatges de cadascuna d’elles per separat i augmentar-ne l’eficiència.

Les cèl·lules solars orgàniques (CSO) Les cèl·lules fotovoltaiques orgàniques han atret una atenció considerable recentment a causa del potencial que tenen com a tecnologia prometedora respectuosa amb el medi ambient. Presenten l’avantatge de processar els materials per solució —‌fet que permet imprimir-los i evitar tècniques de deposició més costoses—, a més de tenir un cost baix, lleugeresa, flexibilitat i components de poca toxicitat, en comparació amb els dispositius formats per semiconductors de silici i metalls pesants. D’altra banda, com que la capa fotoactiva pot estar formada per materials de colors diferents, fins i tot a la carta, els dispositius orgànics han atret l’atenció dels arquitectes per a integrar les cèl·lules en edificis com si fossin un element arquitectònic més [12]. Per aquests motius, es consideren l’alternativa més prometedora i rendible a les cèl·lules solars basades en silici.

34

L’efecte fotovoltaic en materials orgànics es va observar per primera vegada en derivats de ftalocianines de magnesi als anys cinquanta. En col·locar una capa prima d’aquest material entre dos elèctrodes s’observava la generació de fotovoltatge [13, 14]. Aquest mateix efecte es va observar amb un polímer, el poliacetilè [15], uns anys més tard. En ambdós casos s’obtenien eficiències molt baixes, per sota de l’1 %. Es va aconseguir un avenç important quan Tang va preparar un dispositiu bicapa on es combinaven dos materials a la capa fotoactiva, l’un a sobre de l’altre. Va observar que la diferència de potencial generada en la interfase millorava de manera considerable la separació de les càrregues, i, per tant, l’eficiència —‌que va augmentar fins a l’1 % [16]. El descobriment de la transferència d’electrons fotoinduïda entre els polímers conjugats i el ful·lerè C60 per Sariciftci et al. [17], la invenció del concepte de cèl·lules solars d’heterounió de volum (BHJ, bulk heterojunc-

tion) i la investigació centrada en el disseny i la síntesi de nous donadors i molècules acceptores van obrir el camí cap a un sistema operatiu d’alta eficiència. Recentment, s’han des­ envolupat sistemes més complexos, com la incorporació d’un tercer component a la capa activa —‌les anomenades cèl·lules ternàries— [18, 19] o els dispositius en tàndem [20, 21] —‌que combinen dues cèl·lules orgàniques o una cèl·lula no orgànica amb una d’orgànica. Malgrat l’augment exponencial dels valors d’eficiència assolits, la tecnologia fotovoltaica orgànica encara està molt centrada en la fase de recerca i desenvolupament, amb un rècord d’eficiència del 18,6 % [8, 22]. La producció a gran escala es veu reduïda a la preparació de lots petits on les eficiències arriben al 7 %. La sensibilitat dels materials orgànics a la humitat o l’oxigen ambientals i la baixa eficiència en comparació amb altres tecnologies frenen l’entrada massiva de productes per al gran consum. Així doncs, les produccions van orientades especialment a la integració de la tecnologia fotovoltaica en edificis (BDPV, building integrated photovoltaics) o a elements d’electrònica portàtils. Pel que fa al volum de negoci, el mercat de la tecnologia fotovoltaica orgànica global va tancar el 2019 amb 55,63 milions de dòlars de negoci i —‌una vegada superat el sot de la pandèmia— s’espera que el 2027 les xifres de negoci arribaran als 101,29 milions de dòlars [23]. D’altra banda, cal destacar que les empreses que lideren el mercat de la producció es troben localitzades majoritàriament a Europa o als Estats Units, coincidint amb les regions on es dedica més recerca fonamental a aquest tema.

Estimació de l’eficiència L'eficiència d’un dispositiu (PCE, power conversion efficiency) s’estima relacionant la potència elèctrica generada (Pout ) amb la potència lluminosa rebuda (Pin ) (equació 1).  PCE

Pout J V  FF SC OC Pin Pin

Equació 1

on JSC és la densitat de corrent a voltatge zero, VOC és el voltatge de lliure circulació i FF és el factor de forma, que es defineix com la part quadrada de la corba. Per a determinar aquest valor, s’il·lumina el dispositiu amb una llum de potència fixada a 1 sun (condicions estandarditzades


que s’apliquen per a caracteritzar la PCE de les cèl·lules solars; correspon a un espectre de llum d’entre 350 nm i 900 nm de 1 000 W m−2 de potència lluminosa, després de travessar 1,5 masses d’aire amb la llum incidint a la superfície de la Terra amb un angle de 48,2°), s’hi aplica un voltatge i es mesura la variació del corrent generat en funció del voltatge (figura 2).

nada (3) i la recombinació interficial o no geminada (4), que ocorre a la interfície entre el donador i l’acceptor [24]. En aquesta interfície, la càrrega lliure es troba amb un portador de càrrega oposat que no s’ha originat a partir del mateix excitó inicial. Aquesta darrera és considerada la principal font de pèrdua d’energia en les CSO i contribueix fortament a una reducció del voltatge (VOC ) [25] i del factor de forma (FF) [26, 27]. La recombinació no geminada es pot classificar en tres tipus: a) assistida per trampes (quan un dels dos portadors de càrrega està encallat en un estat energètic que actua com una trampa) [28], b) recombinació superficial (té lloc quan una càrrega es recull a l’elèctrode equivocat) [29] i c) recombinació bimolecular, que és el procés de recombinació dominant i ocorre sempre que els electrons i els buits fotogenerats es recombinen a la capa activa.

Figura 2.  Exemple de corba JV representativa per a caracteritzar la PCE d’una cèl·lula solar, on s’indica com s’estimen els valors de JSC i VOC . Elaboració pròpia.

Principis de funcionament i tipus d’estructura Principis de funcionament El mecanisme dels processos de transferència de càrrega d’una cèl·lula solar orgànica típica es pot observar a la figura 3. L’estructura d’una cèl·lula solar orgànica es basa en la combinació d’una capa fotoactiva, que és capaç d’absorbir la llum, situada entre dos elèctrodes que recullen els electrons generats a la capa fotoactiva. Aquesta capa està formada per un material donador d’electrons (D), que és el component que absorbeix la llum i genera les càrregues que seran transferides al material acceptor d’electrons (A). Quan la llum arriba a la capa activa, l’energia del fotó es transmet a un electró que passa de l’estat fonamental a un estat excitat. Aquest electró forma un excitó amb el buit que deixa al darrere. Els excitons que es formen (1) viatgen a la interfície dels nanodominis formada per la unió D-A i es dissocien, de manera que deixen el buit electrònic corresponent en el material donador. La transferència de càrrega (2) als elèctrodes permet la generació de fotocorrent eficient. Però, simultàniament, s’esdevenen processos que s’oposen a la dissociació de càrrega i la difusió fins als elèctrodes. Aquests constitueixen la recombinació gemi-

Figura 3.  Esquema simplificat de la composició d’una cèl·lula solar orgànica típica. Els processos de transferència de càrrega —‌descrits dins del text— estan numerats (1, 2, 3 i 4). Elaboració pròpia.

La recollida òptima de les càrregues depèn, per tant, de factors energètics i estructurals. Els materials que formen el dispositiu han de tenir els nivells d’energia (HOMO, highest occupied molecular orbital / LUMO, lowest unoccupied molecular orbital, o banda de valència / banda de conducció) correlacionats entre ells per a permetre el pas de la càrrega. Així mateix, els materials han de ser compatibles entre si i adoptar una estructura i una morfologia adequades per a interaccionar amb la resta de materials i per a permetre l’absorció de llum, la generació d’excitons i l’obtenció de la càrrega elèctrica.

Estructura Les CSO a nivell de laboratori es fabriquen sobre un substrat transparent, generalment de vidre, per a maximitzar l’arribada

35


Figura 4.  Esquema de la composició d’una cèl·lula solar orgànica estàndard (esquerra) amb la capa fotoactiva en forma de bicapa (centre) o com a heterounió de volum (dreta). Elaboració pròpia.

de llum a la capa activa i evitar les ombres tant com sigui possible (figura 4). A la part superior del substrat es diposita un elèctrode conductor transparent (TCO) que permet el pas de llum cap a la capa activa i la recol·lecció de càrregues. El millor candidat en les últimes dècades ha estat l’òxid d’estany dopat amb indi (ITO), a causa de la seva banda prohibida i la posició de la banda de conducció (4,1 eV - 5,2 eV), la seva transparència en el rang visible de l’espectre solar i la possibilitat d’ajustar la seva funció de treball aplicant-hi un tractament d’ozó UV [30]. També s’ha fet recerca en materials alternatius per a reduir l’alt preu de l’ITO mitjançant l’ús d’òxid d’estany (FTO) o òxid de zinc d’alumini (AZO). No obstant això, l’ITO continua sent l’òxid de metall més utilitzat.

36

A la part superior de l’elèctrode es diposita una capa de bloqueig d’electrons. El material més comú en ús és el poli(3,4-etilendioxitiofen)-poli(estirè sulfonat) (PEDOT:PSS). El PEDOT:PSS és una mescla de dos polímers conjugats —‌PEDOT (més conductor) i PSS (que millora la solubilitat i el processament)—, amb una alta conductivitat i una estabilitat relativament bona. El nivell d’energia encaixa perfectament amb la funció de treball de l’ITO i permet una injecció òptima de buits electrònics; a més, es pot tractar en solució, amb la qual cosa facilita l’escalat dels dispositius. Malgrat aquests avantatges, el PEDOT:PSS presenta problemes d’estabilitat en el dispositiu quan s’exposa a l’aire, a causa de la seva naturalesa àcida i higroscòpica. Algunes de les alternatives que s’han provat darrerament són el PEDOT:PSS dopat amb solvent [31, 32], el grafè dopat [33] o el MAM —‌una construcció multicapa formada per MoO3 / nanopartícules d’or / MoO3 [34]—, a més del MoO3 [35], tot i que el PEDOT:PSS és encara l’alternativa més emprada.

L’elèctrode superior correspon al càtode i es diposita habitualment mitjançant tècniques de deposició de buit. La funció de treball ha de ser inferior a la de l’ITO i superior a la del LUMO més baix de l’acceptor d’electrons. Els materials més utilitzats són metalls com l’alumini, l’or o la plata, perquè tenen uns valors energètics adequats i aporten estabilitat al dispositiu. A més, és habitual afegir-hi una capa interficial molt prima (entre 1 nm i 15 nm) per a millorar la injecció d’electrons des de la capa activa al càtode i protegir-la durant el procés d’evaporació. S’ha demostrat àmpliament que aquests pocs nanòmetres milloren el voltatge de circuit obert (VOC ), el corrent de curtcircuit (JSC ) i el factor de forma (FF) dels dispositius [36]. Són exemples de materials utilitzats com a capes interficials el poli(9,9-bis(3-(N,N-dimetilamino)propil)-2,7-fluoren)-alt-2,7-(9,9-dioctilfluorè) (PFN), el fluorur de liti o el calci.

Estructures de capes actives La configuració de la capa activa és el paràmetre clau en les cèl·lules solars orgàniques. Per a obtenir una separació eficient dels excitons fotogenerats, s’ha de treballar en la inter­ acció donador-acceptor, tant des del punt de vista físic com energètic. L’estructura de dispositiu més simple consisteix en una capa de material orgànic dipositada entre dos contactes diferents. No obstant això, històricament, amb aquesta configuració es van obtenir unes eficiències extremament baixes, per sota de l’1 % [24].


El progrés que va permetre la millora del rendiment dels dispositius fotovoltaics orgànics va ser l’ús d’heterounions entre donador i acceptor. El 1986, Tang va fabricar el primer dispositiu solar amb una heterounió entre donador i acceptor orgànics on la capa activa constava de dues pel·lícules dipositades l’una sobre de l’altra [16]. Aquest tipus de dispositiu es va anomenar dispositiu bicapa o amb heterounió plana. Aquesta estructura va avançar respecte de la monocapa perquè a la interfície entre ambdós materials es crea un camp elèctric local favorable que pot trencar els excitons fotogenerats, si les diferències en l’energia potencial són més grans que l’energia d’unió de l’excitó, i generar electrons que poden ser transferits a la xarxa formada per l’acceptor [24]. Malgrat els avantatges obvis respecte del sistema monocapa, l’estructura de bicapa també presenta alguns inconvenients; per exemple, les dificultats perquè les càrregues generades en els primers nanòmetres del donador (més a prop de l’elèctrode inferior) arribin a la interfície amb l’acceptor ja que moltes d’elles es recombinen dins del mateix material. Per tal de resoldre això i millorar la transferència de càrrega, a mitjans de la dècada de 1990 van aparèixer les anomenades cèl·lules d’heterounió de volum (BHJ, bulk heterojunction). Aquest concepte es basa en la barreja dels materials donadors i acceptors d’electrons. Amb aquesta configuració, la recombinació geminada es va reduir notablement, ja que els excitons poden arribar fàcilment a la interfície donador-acceptor perquè la distància de difusió de l’excitó —‌que és de 10 nm— coincideix amb l’escala dels dominis de material formats a la barreja. Aquesta estratègia, a més, amplia considerablement l’àrea interficial i redueix els dominis de donador i acceptor per tal d’evitar superar la longitud de difusió de l’excitó, la qual cosa comporta una millora general del dispositiu de treball [38]. En els últims anys s’ha desenvolupat un altre enfocament, amb la incorporació d’un tercer component a la capa activa: les cèl·lules solars d’heterounió de volum ternàries orgàniques. El tercer element afegit pot ser o bé un material donador d’electrons o un acceptor, de manera que la configuració es pot escriure com D1-D2-A o A1-A2-D. Normalment, hi ha un augment de la densitat de corrent a causa dels electrons fotogenerats del tercer component, i de la millora en la transferència de càrrega deguda a la menor diferència d’energia entre el nivell LUMO de tots els materials que formen part de la

capa activa, fet que també té com a resultat un increment de l’eficiència en general [8]. No obstant això, en CSO de BHJ, l’augment de la captura de càrrega en trampes electròniques situades als defectes formats en la mescla és una qüestió que cal tenir en compte. La manera de millorar la morfologia de la pel·lícula és dur a terme un tractament de curació —‌tèrmicament o amb vapors de dissolvent— o aplicar-hi l’ús d’additius [39].

Donadors orgànics Els materials donadors orgànics utilitzats en la capa activa es divideixen en dos grups principals: polímers i molècules petites. Els polímers consten d’un nombre variable de monòmers que sovint són difícils de purificar per mitjà de mètodes convencionals i el pes molecular final dels quals és complicat de controlar entre diferents lots de producció. No obstant això, normalment tenen una conductivitat alta i permeten una bona formació de capes [40]. D’altra banda, les molècules petites estan formades per un nombre discret d’àtoms, són fàcils de sintetitzar i les seves propietats optoelectròniques es poden ajustar per a aconseguir les característiques desitjades. Tant els polímers com les molècules petites han de tenir en comú les propietats següents: una banda d’absorció ampla i intensa a la part de l’espectre visible i l’infraroig proper (NIR), uns nivells d’energia adequats que coincideixin amb l’acceptor d’electrons per a maximitzar el valor del VOC i una alta mobilitat de portadors de càrrega per a millorar el transport de càrrega des de la capa activa fins als elèctrodes. És desitjable que tinguin una alta solubilitat per a la fabricació mitjançant solució i la capacitat de tenir una morfologia en la nanoescala òptima per a maximitzar la separació de càrrega [41].

Polímers En aquesta secció es descriuen breument els polímers donadors més representatius utilitzats en les CSO, com ara el P3HT, el PTB7 i el PM6. A la figura 5 se’n poden veure les estructures moleculars. El P3HT (poli(3-hexiltiofen-2,5-diil)) té una absorció excel·lent i valors de mobilitat de càrrega adequats. Va ser un dels primers

37


Figura 5.  Estructura molecular dels polímers P3HT, PTB7 i PM6. Elaboració pròpia.

sistemes conjugats estudiats per a CSO. Inicialment, els resultats obtinguts no van ser els que s’esperaven, però al cap dels anys, quan es van desenvolupar tractaments de curació tèrmica o tècniques de creixement de cristalls, va aconseguir eficiències del 3,5 % [42] i del 4,4 % [43], respectivament. La seva limitació principal és el baix VOC dels dispositius (al voltant de 0,66 V), a causa del seu nivell HOMO alt. D’altra banda, ha estat un dels primers polímers a ser aplicat a CSO eficients —‌especialment, en combinació amb el ful·lerè—, està disponible comercialment en quantitat de grams i, per aquest motiu, ha estat el polímer d’elecció per a preparar mòduls i panells durant anys [44]. El PTB7 (poli({4,8-bis[(2-etilhexi)oxibenzo}1,2-b:4,5-b']) ditiofen-2,6-diil}{3-fluoro-2-{(2-etilhexil)carbonil}tien {3,4-b}tiofenediil}) té un ampli espectre d’absorció que arriba fins a 700 nm. A més, a causa de la seva estructura molecular rígida, és soluble i es pot dipositar mitjançant tècniques de processament en solució, de manera que presenta una alta mobilitat de buits electrònics. El seu nivell HOMO és més baix que el del P3HT, amb la qual cosa el valor teòric del VOC és superior [45]. Per aquest motiu, els derivats PTB7 s’han utilitzat àmpliament com a materials donadors en dispositius no basats en el ful·lerè o en estructures ternàries D-A1-A2, i s’han aconseguit eficiències del 12,1 % per a la configuració binària de la capa activa i del 13,1 % per al seu equivalent ternari [46].

38

En els últims anys, s’han desenvolupat nous polímers que han donat molt bones eficiències. Entre aquests, cal destacar el PM6 o PBDB-T-2F (poli[[4,8-bis[5(2-etilhexil)-4-fluoro-2-tienil]benzo[1,2-b:4,5-b']ditiofen-2,6-diil]-2,5-tio­ fenediil[5,7-bis(2-etilhexil)-4,8-dioxo-4H,8H-benzo]1,2c:4,5-c']ditiofen-1,3-diil]-2,5-tiofenediil]), el qual es mostra a la figura 5. És un tipus de copolímer D-π-A, on el benzodi-

tiofè actua com a unitat donadora, el tiofè és el pont π i la benzoditiofen-4,8-diona funciona com a unitat acceptora. Té una banda òptica de −1,80 eV i un HOMO de –5,50 eV. S’ha estudiat amb molts altres polímers i acceptors de tipus no ful·lerè, i s’han obtingut eficiències de fins al 15,7 % quan es barreja amb la ben coneguda molècula petita Y6 [47] (s’explica de manera detallada més endavant, a l’apartat «La família Y6»).

Molècules petites Malgrat que han rebut menys atenció que els polímers, les cèl· lules solars fetes amb materials donadors de molècula petita processada mitjançant solució han assolit un progrés ràpid en els darrers anys. Aquestes molècules ofereixen alguns avantatges respecte dels donadors basats en polímer. Per exemple, mentre que els polímers normalment contenen una àmplia distribució de pesos moleculars en cada lot, els de molècula petita estan ben definits, de manera que permeten una purificació més fàcil i la reproductibilitat de lot a lot. A més, les molècules petites en general requereixen menys passos sintètics per a ajustar les seves propietats òptiques i electroquímiques [40]. Els resultats recents mostren eficiències de fins al 18 % [8]. Durant els primers anys de recerca, moltes molècules petites es van definir com a materials donadors d’electrons, ja que s’utilitzaven com a principal unitat absorbidora de llum en les CSO. Aquesta és la raó primordial per la qual les molècules petites s’han basat inicialment en colorants i pigments —‌com porfirines, esquarines o merocianines— que al principi s’utilitzaven per a altres aplicacions, com la xerografia o les cèl·lules solars de colorant. A partir del 2005 [48], hi ha hagut un ràpid


desenvolupament de molècules petites dissenyades per a ser dipositades mitjançant solució per a CSO, de manera que s’han ampliat les famílies disponibles a oligotiofens, trifenilamines, diketopirrolopirroles o molècules petites derivades de porfirines —‌la majoria de les quals, basades en estructures push-pull (donador-acceptor) (figura 6). Les molècules pushpull esmentades consten d’una estructura que té una unitat donadora d’electrons i grups acceptors afitats l’un al costat de l’altre per a millorar la transferència de càrrega dins de la molècula i ajustar els nivells d’energia HOMO-LUMO. Molècules petites basades en porfirina Les porfirines han estat àmpliament estudiades i utilitzades no només en les CSO, sinó també en les cèl·lules solars de colorant a causa del seu alt coeficient d’extinció molar, la seva

estabilitat tèrmica i la possibilitat d’ajustar els seus nivells d’energia modificant-ne l’estructura molecular o el metall central [49]. Darrerament, la recerca s’ha centrat en la síntesi d’estructures A-D-A. Dues de les porfirines més eficients van ser dissenyades i sintetitzades per Xiao et al. —‌PTTR i PTTCNR (figura 6a)—, que tenen un rendiment excel·lent, amb valors d’eficiència del 7,66 % i el 8,21 %, respectivament [50]. Molècules petites basades en diketopirrolopirroles (DPP) Les molècules petites basades en DPP tenen els mateixos avantatges que les porfirines: els nivells d’energia es poden ajustar fàcilment i tenen una absorció àmplia a la regió UV-vis de l’espectre. A més, són més fàcils de sintetitzar. Un exemple de molècula petita que conté un DPP en una estructura D-A-D és DPP(TBFu)2 (figura 6b), que ha permès assolir

Figura 6.  Estructura molecular de les molècules petites més utilitzades com a donadors d’electrons: a) PTTR i PTTCNR són derivats de porfirines, b) DPP(TBFu)2 és una molècula derivada del diketopirrole i c) BDTTS-CI-R és un derivat de l’oligotiofè. Elaboració pròpia.

39


una eficiència del 4,4 % (el millor resultat per a la combinació entre una molècula petita i ful·lerè en el seu moment). Els motius d’aquest bon resultat van ser la combinació d’una morfologia en la nanoescala adequada, la separació de fases, una mobilitat moderada de buits electrònics i un VOC relativament alt a causa del seu nivell d’HOMO més profund [51].

Molècules petites basades en oligotiofens i els seus derivats El tiofè és el grup més comú i àmpliament utilitzat per als materials de donador d’electrons en les CSO. Té un paper important en els ponts conjugats que participen en la transferència de càrrega intramolecular. A més, és versàtil i permet modificar-ne fàcilment l’estructura. Per exemple, per a evitar l’agregació, s’ha modificat amb cadenes alquíliques, mentre que, per a ajustar els nivells energètics o evitar els estats trampa, s’hi han afegit grups com la rodanina i el ciano o els seus derivats [52, 53]. En els darrers anys, l’estratègia més comuna per a sintetitzar noves molècules petites ha estat la combinació de grups terminals deficients en electrons amb una unitat central rica en electrons, cosa que ha resultat en CSO amb eficiències al voltant del 8 % [54] i el 9 % [55]. Per exemple, Ji i els seus col·laboradors van dissenyar tres oligotiofens canviant els àtoms d’halogen (F, Cl i Br) i van obtenir l’eficiència més elevada, del 10,78 % [41], amb el derivat del clor (BDTTSCl-R). La figura 6c en mostra l’estructura molecular. Recentment s’ha explorat la introducció dels halògens, dels quals s’han obtingut resultats prometedors. Xu et al. va sintetitzar un oligotiofè fluorat anomenat 2FDC5T, que va produir el 9,02 % d’eficiència quan es combinava amb l’acceptor d’electrons IDIC-4F, un resultat més alt que l’obtingut amb la mateixa molècula no fluorada (7,03 %) [56]. Duan et al. van comparar tres derivats de l’oligotiofè amb substitucions −F

40

i −Cl al centre de la unitat tienil. L’eficiència més elevada es va aconseguir amb el derivat clorat quan es va barrejar amb Y6. L’halogenació va provocar una disminució del valor del nivell HOMO de la molècula petita, que va augmentar la banda prohibida [57]. Aquests exemples demostren que la introducció d’halògens en les molècules petites donadores té un efecte positiu en els paràmetres fotovoltaics.

Altres molècules petites Aquí es descriuen dos grups específics de molècules petites donadores d’electrons que poden ser dipositats mitjançant tècniques de processament en solució. Tanmateix, a causa de la baixa solubilitat que tenen en dissolvents comuns, s’han explorat amb tècniques d’evaporació tèrmica en alt buit. Un dels grups són les esquarines, les quals es caracteritzen per un sistema d’anells aromàtics de quatre membres, derivat de l’àcid esquàric. A més, tenen una bona absorció en la regió vermella i propera a l’infraroig de l’espectre. El 2005, Yang et al. van sintetitzar un derivat asimètric de l’esquarina (ASQ-5-CN) [58], amb una estructura D-A-D′ (figura 7). La substitució del grup ciano va contribuir a disminuir el nivell d’energia HOMO, de manera que va augmentar el VOC fins a 0,83 V i s’obtingué una eficiència del 5,00 %. El 2016, Yang et al. van sintetitzar un donador basat en una esquarina simètrica que, incorporada en una CSO preparada mitjançant solució, va arribar al 7,41 % d’eficiència [59]. L’altre grup, els poliaces, consten d’una cadena d’anells de benzè fusionats, el més utilitzat dels quals és el pentacè (figura 7). Tenen una mobilitat de buits electrònics elevada i mostren interaccions π-π fortes, però han de ser dipositades a través de l’evaporació tèrmica. No obstant això, les seves eficiències no han superat el 3 % [60].

Figura 7.  Estructura molecular d’un derivat de l’esquarina (esquerra) i del pentacè (dreta). Elaboració pròpia.


Acceptors orgànics Fins al 2015, els materials basats en el ful·lerè encapçalaven les CSO més eficients a causa de l’alta afinitat electrònica i mobilitat que tenen. Tanmateix, la necessitat de millorar l’absorció i sintonitzar les propietats optoelectròniques d’aquest tipus de material va focalitzar l’atenció cap a les molècules petites. En aquest apartat es revelaran els desenvolupaments més recents en el camp dels acceptors orgànics per als sistemes d’heterounió.

Acceptors basats en el ful·lerè Els primers candidats aplicats com a acceptors d’electrons per a les CSO eren derivats del ful·lerè C60, com ara el [6,6]-fenilC61 butíric metil èster (PC61BM) o el [6,6]-fenil-C71 butíric metil èster (PC71BM) (figura 8). Els seus avantatges principals són l’elevada mobilitat d’electrons (10−2 – 10−1 cm2 V−1 s−1) [61] i la bona alineació que tenen amb els nivells d’energia dels altres materials que contribueixen al fet que la transferència d’electrons a l’elèctrode sigui eficient [61]. La forma esfèrica comporta que siguin un acceptor excel·lent en qualsevol direcció. Un altre avantatge important és la possibilitat de dipositar-los mitjançant tècniques de processament en solució. Per tal de millorar el VOC , He et al. van desenvolupar les molècules IC60BA i IC70BA, acceptors bisadductes amb els quals es van aconseguir eficiències de fins al 7,40 % [62]. El 2016, Xiao et al. va sintetitzar bisadductes basats en ful·lerens lliures d’isòmers. La síntesi es va centrar en bisadductes homo- i hetero- amb una configuració e. El més eficient d’aquests va ser l’heterobisadducte e-PPMF. El seu bon empaquetament a la

capa activa i el desordre energètic reduït van permetre que obtinguessin l’eficiència més elevada aconseguida fins avui en les CSO utilitzant acceptors bisadductes de ful·lerè (8,11 %) [63]. Malgrat el progrés assolit amb CSO basades en ful·lerens, l’absorció feble en el rang visible, la seva tendència a l’agregació i l’elevat cost de producció han frenat la consecució d’eficiències més grans i la possibilitat de comercialitzar els dispositius [64]. A causa dels desavantatges esmentats abans, l’atenció s’ha desplaçat a altres famílies de compostos que es descriuran a l’apartat següent. No obstant això, els ful·lerens encara són bons candidats en les CSO ternàries. Quan es combinen amb un o dos donadors o amb un donador i un acceptor diferent, aporten una cobertura més gran en el rang UV-vis de l’espectre, ja que l’espectre d’absorció dels altres components normalment és complementari al del ful·lerè. Aquesta aproximació té un efecte positiu en el JSC , i, consegüentment, en l’eficiència en general [19].

Acceptors d’electrons no basats en el ful·lerè (NFA, non-fullerene acceptors) Les molècules NFA s’han estudiat al llarg dels anys, però les eficiències més baixes en comparació amb les obtingudes amb els ful·lerens havia fet que fossin un camp de recerca menys atractiu. De fet, actualment els acceptors encara es defineixen com a ful·lerens o no ful·lerens. Els bons resultats publicats els darrers sis anys han fet que la comunitat científica situï el focus sobre aquest tipus d’acceptors que comprèn un gran nombre de famílies [8, 65]. Els dispositius eficients amb molècules d’NFA comparteixen el fet de tenir grups funcionals amb un gran efecte acceptor

Figura 8.  Estructura molecular del ful·lerè (C60) (esquerra), del PC61BM (centre) i del PC71BM (dreta). Elaboració pròpia.

41


d’electrons —‌com el carbonil i el ciano—, que s’utilitzen per a reduir els valors del nivell de LUMO i, en conseqüència, augmenten la seva capacitat d’acceptació d’electrons [66, 67]. Les estratègies de disseny molecular més modernes es basen en la síntesi de molècules push-pull amb estructures A-D-A o D-π-A-π-D, per tal d’ampliar els espectres d’absorció mitjançant la millora de l’efecte de transferència de càrrega intramolecular des d’una unitat rica en electrons a una altra que n’és deficient [68]. Aquesta estratègia té un efecte positiu en la JSC i marca la diferència amb els derivats del ful·lerè. Amb aquest propòsit, s’han dissenyat i sintetitzat nuclis centrals amb un fort caràcter donador d’electrons o ponts π com a donadors addicionals en els nous NFA [69]. Per tant, cal destacar que el disseny molecular té un paper crític en la millora de les propietats fotovoltaiques de les CSO [64, 70].

tenir un PCE del 8,47 % amb un gran valor JSC de >18 mA cm−2 [77]. Liu et al. van sintetitzar l’NFA SF-PDI2, que mostrava el 9,5 % de l’eficiència i gairebé el 90 % de l’eficiència quàntica interna amb una pèrdua de baix voltatge de 0,61 V. Quan es barrejava amb un polímer anomenat P3TEA tenia una separació de càrrega ultraràpida i eficient, essencial per a aconseguir PCE alts [66]. Zhang et al. van informar d’una eficiència del 10,58 % per a dispositius basats en P3TEA:FTTB-PDI4. La molècula descrita conté un nucli de benzè funcionalitzat amb quatre unitats de PDI a través d’unitats de tiofè fusionades que confereixen una major absorció de llum i un empaquetament intermolecular més fort [78].

A continuació es descriuen les categories d’NFA que han donat millors resultats. Per a una descripció més exhaustiva dels NFA reportats a la literatura, es recomana la lectura dels treballs de revisió [71-73].

L’ITIC (3,9-bis(2-metilen-(3-(1,1-diciametilen)-indanona))5,5,11,11-tetrakis(4-hexilfenil)-ditieno[2,3-d:2',3'-d']-sindacen[1,2-b:5,6-b']ditiofè) i els seus derivats es basen en una estructura molecular de tipus A-D-A, amb una unitat central que té poca capacitat donadora d’electrons i dues unitats acceptores fortes d’electrons com a grups perifèrics [79] (figura 10). La part central està formada per un centre rígid d’indacenditien[3,3,2-b]tiofè (IDTT) com a part donadora d’electrons, substituïda amb dos grups deficients en electrons de 2-(3-oxo-2,3-dihidroinden-1-iliden)malononitril (INCN). L’estructura push-pull de l’ITIC facilita la transferència de càrrega interna entre els grups esmentats anteriorment, i s’obté com a resultat una àmplia absorció d’entre 500 nm i 800 nm. La seva banda prohibida òptica s’estima en 1,59 eV.

La família de les diimides de perilè Inicialment, les molècules que utilitzaven diimides de perilè (PDI) substituït s’empraven d’una manera habitual com un component acceptor d’electrons en la capa activa de les CSO. La primera vegada que una molècula petita de PDI va ser usada en una CSO bicapa com a acceptor no ful·lerè va ser el 1986, en què s’assolí un PCE de l’1 % amb el donador d’electrons CuPc [16]. Des d’aleshores, les PDI monomèriques, les molècules petites basades en PDI lineals i les tridimensionals amb propietats d’acceptació d’electrons es van convertir en els materials acceptors més populars de tipus no ful·lerè. La seva estructura molecular està formada per un pla π-conjugat gran i rígid (vegeu la figura 9) que li proporciona una important mobilitat d’electrons (>1 cm2 V−1s−1) i estabilitat [74]. Per tal d’ajustar-ne les propietats optoelectròniques, evitar-ne l’autoagregació i augmentar-ne la solubilitat en dissolvents comuns, s’hi afegeixen cadenes alquil i altres substituents de tipus aril [75, 76].

42

Alguns exemples recents de derivats que han mostrat eficiències elevades són TBP, SF-PDI2 i FTTB-PDI4, representats a la figura 9. El TBP està format per quatre unitats derivades de PDI α-substituïdes enllaçades a un nucli BDT-Th. Wu et al. van ob-

La família de l’ITIC

En la primera publicació al respecte, del 2015, es va aconseguir una eficiència del 6,58 % en combinació amb el PTB7-Th com a component donador de la capa activa. Des d’aleshores, s’han desenvolupat nous derivats que arriben a eficiències de fins al 13,7 %. Per exemple, Yang et al. van sintetitzar l’NFA m-ITIC introduint meta-alquil-fenil com a substituents en la cadena lateral. Això va millorar l’eficiència fins a l’11,77 %, amb una VOC de 0,912 V. Aquesta modificació va millorar la cristal·linitat, de manera que va augmentar la mobilitat electrònica i l’absorció de la llum [79, 80]. Li et al. van sintetitzar un nou NFA anomenat IT-M introduint un grup metil al grup terminal de l’ITIC [81] (figura 10), per la qual cosa el LUMO (−3,35) va augmentar en comparació amb l’ITIC, que va resultar en un VOC més alt (0,94 V). En barrejar-lo amb PBDB-T com a material donador d’electrons es va obtenir una eficiència


Figura 9.  Estructures moleculars del TBP, de l’FTTB-PDI4, de l’SF-PDI2 i del PDI. Elaboració pròpia.

del 12,05 %. L’alta solubilitat de l’IT-M va donar lloc a agregats de superfície més petits en la barreja amb PBDBT:IT-M i a la formació d’estructures ordenades. L’eficiència més alta reportada (13,7 %) es va aconseguir mitjançant la combinació de PBDB-TF:IT-4F, amb la introducció d’àtoms de fluor en els grups terminals de l’ITIC. L’efecte push-pull intramolecular es va trobar que era beneficiós per a controlar millor la miscibilitat amb el donador PBDB-TF, fet que va comportar una puresa de dominis més gran en la barreja de la capa activa [82].

La família IDTBR La família IDTBR ((5Z,5'Z)-5,5'-((7,7'-(4,4,9,9-tetraoctil-4,9dihidro-s-indacen[1,2-b:5,6-b']ditiofen-2,7-diil)bis(benzo[c] [1,2,5] tiadiazol-7,4-diil))bis(metanililidè))bis(3-etil-2-tioxo-

tiazolidin-4-ona) d’NFA va ser dissenyada amb l’objectiu de complementar els espectres d’absorció del polímer donador d’electrons, el P3HT, per tal de millorar el JSC mitjançant l’absorció de fotons en un rang més ampli en l’espectre visible. L’estructura molecular de la primera versió de la família IDTBR consistia en la combinació de dues unitats acceptores d’electrons diferents (benzotiaziadol i rodanina) i un donador d’electrons (indacenditiofè) com a part central. La molècula EH-IDTBR (figura 11) és la més representativa d’aquesta família. Cha et al. van observar un augment significatiu de l’estabilitat en els dispositius basats en PffBT4T-2OD:EH-IDTR (sota les condicions estudiades) en comparació amb el seu homòleg de ful·lerè PC71BM [83]. No obstant això, l’eficiència va ser lleugerament més alta per als dispositius preparats amb PC71BM (10,5 % vs. 9,5 %, respectivament). Hu et al. estudiaren l’efecte de l’ús d’additius de dissolvents lliures d’halogen

43


Figura 10.  Estructures moleculars de l’ITIC, l’m-ITIC, l’IT-M i l’IT-4F. Elaboració pròpia.

per a la capa activa de PTB7-Th:EH-IDTBR, de manera que l’estabilitat del dispositiu va augmentar i s’aconseguí minimitzar la influència del gruix de la capa en comparació amb els dispositius de control, amb eficiències de fins a l’11,36 % [84].

La família Y6 L’Y6 (2,2'-((2Z,2'Z)-((12,13-bis(2-etilhexil)-3,9- diundecil12,13-dihidro-[1,2,5]tiadiazol[3,4-e]tien[2",3":4',5']tien [2',3':4,5]pirrolo[3,2-g]tien[2',3':4,5]tien[3,2-b]indol-2,10-diil) bis(metanililiden))bis(5,6-difluoro-3-oxo-2,3-dihidro-

44

Figura 11.  Estructura molecular de l’EH-IDTBR i de l’Y6. Elaboració pròpia.

1H-inden-2,1-diiliden))dimalononitril) està format per la combinació d’un grup donador d’electrons i dos grups diferents d’acceptors d’electrons acoblats amb la seqüència A-D-A'-D-A (figura 11). El nucli central està format per 2,1,3-benzotiadiazol (BT), que és molt deficient en electrons. La part donadora d’electrons està constituïda pel ditienotiofen[3,2-b]pirrolobenzotiadiazol (TPBT), mentre que les unitats circumdants són 2-(5,6-difluoro-3-oxo-2,3dihidro-1H-inden-1-iliden)malononitril (2FIC). Les unitats de tienotiofè contribueixen a ampliar l’absorció i a millorar la mobilitat dels electrons. A més, el 2FIC millora l’absorció i les interaccions intermoleculars, cosa que facilita el transport de


càrrega. La primera publicació on va aparèixer l’Y6 utilitzat en les CSO fou el 2019; Yuan et al. van obtenir una eficiència del 15,6 % quan el van barrejar amb el polímer donador PM6 [47]. Per tal de millorar les propietats de transport de càrrega, d’empaquetament o de cristal·linitat a fi d’augmentar el rendiment fotovoltaic dels dispositius, s’han intentat diverses modificacions, com, per exemple, la de les cadenes alquil i l’halogenació dels grups acceptadors d’electrons [70, 85-88].

Perspectives Els principals inconvenients perquè la tecnologia fotovoltaica orgànica entri de manera massiva en els productes de consum són el preu actual de producció, la menor eficiència en comparació amb altres tecnologies i l’estabilitat limitada a causa de la sensibilitat dels components orgànics a la humitat i l’oxigen. Una de les estratègies que s’estan desenvolupant actualment i que millor resultat donen són les cèl·lules en tàndem. La combinació de dues cèl·lules «en una» permet assolir eficiències més elevades, ja que s’uneixen subcèl·lules optimitzades per a absorbir fotons de diferents energies [89, 90], amb la qual cosa la JSC i el VOC augmenten. El rècord actual per a tàndems purament orgànics se situa en el 18,6 % [91] i en el 23,6 % en combinar-hi perovskita-CSO [92]. D’altra banda, la combinació entre una cèl·lula orgànica amb cèl·lules de silici varia entre el 17,4 % i el 20,6 %, segons el tipus de silici utilitzat [93]. Així mateix, es vol destacar que actualment existeixen instal· lacions que operen amb cèl·lules solars orgàniques, com es mostra a la figura 12. Se’n poden trobar més exemples a les webs de les empreses dedicades a fabricar mòduls basats en molècules orgàniques, com Heliatek [94], ARMOR [95] o la Universitat Tècnica de Dinamarca [96].

Conclusions Els dispositius fotovoltaics basats en molècules orgàniques han demostrat el seu potencial —‌especialment, a nivell de laboratori— per a assolir eficiències comparables amb les de les cèl·lules de silici, que són les que més es comercialitzen actualment. En comparació amb aquestes, les CSO són més lleugeres, es poden dipositar sobre substrats flexibles i tenen

Figura 12.  Arbre solar presentat a l’Exposició Universal de Milà el 2015 per l’empresa OPVIUS. Reproduït d’Armor/GerArchitektur.

una gran versatilitat per a formar dispositius de diferents colors. De fet, sota el terme cèl·lula orgànica s’inclouen un gran ventall de famílies que s’han aplicat com a donadores o acceptores d’electrons en la capa activa. I açò és degut al disseny racional de les molècules, que ha permès augmentar de manera exponencial l’eficiència dels dispositius. Així, la recerca intensiva en els darrers anys ha permès assolir eficiències del 18 %, que són comparables a les aconseguides amb dispositius basats en perovskites (22 %) o amb els panells comercials basats en silici (20 %).

Agraïments Agraïm el suport econòmic de l’Institut Català d’Investigació Química (ICIQ), de la Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA), del Ministeri d’Afers Econòmics i Transformació Digital (MINECO) —‌a través del projecte PID2019109389RB-I00— i de l’Agència de Gestió d’Ajuts Universitaris i de Recerca (AGAUR) —‌a través del projecte SGR 2017SGR00978.

Referències i altres fonts [1]  McKinsey & Company. Global energy perspective 2021 [en línia]. <https://www.mckinsey.com/industries/oil-and-gas/ our-insights/global-energy-perspective-2021>. [2]  Becquerél, A. E. «Memoire sur les effects d’electriques produits sous l’influence des rayons solaires». Comptes Rendus de l’Academie des Sciences, 9 (1839), p. 561-567. [3]  Perlin, J. Let it shine: The 6,000-year story of solar energy. Novato, Califòrnia: New World Library, 2013.

45


46

[4]  Perlin, J. From space to Earth: The story of solar electricity. Michigan: Aatec Publications Ann Arbor, 1999, p. 18. [5]  Office of Energy Efficiency & Renewable Energy. Crystalline silicon photovoltaics research [en línia]. <https://www.energy. gov/eere/solar/crystalline-silicon-photovoltaics-research>. [6]  O’regan, B.; Grätzel, M. «A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films». Nature, 353 (1991), p. 737-740. [7]  Green, M.; Dunlop, E.; Hohl-Ebinger, J.; Yoshita, M.; Kopidakis, N.; Hao, X. «Solar cell efficiency tables (version 57)». Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 29 (2021), p. 3-15. [8]  Cai, Y.; Li, Y.; Wang, R.; Wu, H.; Chen, Z.; Zhang, J.; Ma, Z.; Hao, X.; Zhao, Y.; Zhang, C.; Huang, F.; Sun, Y. «A well-mixed phase formed by two compatible non-fullerene acceptors enables ternary organic solar cells with efficiency over 18.6%». Advanced Materials, 33 (2021), p. 2101733. [9]  Jeong, J.; Kim, M.; Seo, J.; Lu, H.; Ahlawat, P.; Mishra, A.; Yang, Y.; Hope, M. A.; Eickemeyer, F. T.; Kim, M.; Yoon, Y. J.; Choi, I. W.; Darwich, B. P.; Choi, S. J.; Jo, Y.; Lee, J. H.; Walker, B.; Zakeeruddin, S. M.; Emsley, L.; Rothlisberger, U.; Hagfeldt, A.; Kim, D. S.; Grätzel, M.; Kim, J. Y. «Pseudo-halide anion engineering for α-FAPbI3 perovskite solar cells». Nature, 592 (2021), p. 381-385. [10]  National Renewable Energy Laboratory. U. S. Department of Energy. Best Research-Cell Efficiency Chart [en línia]. <https:// www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html> [Consulta: 7 maig 2021]. [11]  National Renewable Energy Laboratory. U. S. Department of Energy. Champion Photovoltaic Module Efficiency Chart [en línia]. <https://www.nrel.gov/pv/module-efficiency.html> [Consulta: 7 maig 2021]. [12]  Pascual-San José, E.; Sánchez-Díaz, A.; Stella, M.; Martínez-­ Ferrero, E.; Alonso, M. I.; Campoy-Quiles, M. «Comparing the potential of different strategies for colour tuning in thin film photovoltaic technologies». Science and Technology of Ad­ vanced Materials, 19 (1) (2018), p. 823-835. [13]  Ghosh, A. K.; Morel, D. L.; Feng, T.; Shaw, R. F.; Rowe, C. A. «Photovoltaic and rectification properties of Al/Mg phthalocyanine/Ag Schottky-barrier cells». Journal of Applied Physics, 45 (1) (1974), p. 230-236. [14]  Kearns, D.; Calvin, M. «Photovoltaic effect and photoconductivity in laminated organic systems». The Journal of Chem­ ical Physics, 29 (4) (1958), p. 950-951. [15]  Weinberger, B. R.; Akhtar, M.; Gau, S. C. «Polyacetylene photovoltaic devices». Synthetic Metals, 4 (3) (1982), p. 187-197.

[16]  Tang, C. W. «Two-layer organic photovoltaic cell». Applied Physics Letters, 48 (2) (1986), p. 183-185. [17]  Sariciftci, N. S.; Smilowitz, L.; Heeger, A. J.; Wudl, F. «Photoinduced electron transfer from a conducting polymer to buckminsterfullerene». Science, 258 (5087) (1992), p. 1474. [18]  Huang, H.; Yang, L.; Sharma, B. «Recent advances in or­ ganic ternary solar cells». Journal of Materials Chemistry A, 5 (23) (2017), p. 11501-11517. [19]  Gasparini, N.; Salleo, A.; Mcculloch, I.; Baran, D. «The role of the third component in ternary organic solar cells». Nature Reviews Materials, 4 (4) (2019), p. 229-242. [20]  Di Carlo Rasi, D.; Janssen, R. A. J. «Advances in solution-­ processed multijunction organic solar cells». Advanced Materials, 31 (10) (2019), p. e1806499. [21]  Yuan, J.; Gu, J.; Shi, G.; Sun, J.; Wang, H.-Q.; Ma, W. «High efficiency all-polymer tandem solar cells». Scientific Reports, 6 (2016), p. 26459. [22]  Lin, Y.; Magomedov, A.; Firdaus, Y.; Kaltsas, D.; El-Labban, A.; Faber, H.; Naphade, D. R.; Yengel, E.; Zheng, X.; Yarali, E.; Chatur­ vedi, N.; Loganathan, K.; Gkeka, D.; Alshammari, S. H.; Bakr, O. M.; Laquai, F.; Tsetseris, L.; Getautis, V.; Anthopoulos, T. D. «18.4% organic solar cells using a high ionization energy self-assembled monolayer as hole extraction interlayer». ChemSusChem [en línia], 14 (2021), p. 3569-3578. <https://doi.org/10.1002/ cssc.202100707>. [23]  Fortune Business Insights. Organic solar cell market [en línia]. <https://www.fortunebusinessinsights.com/industry -reports/organic-solar-cell-market-101555>. [24]  Nelson, J. «Organic photovoltaic films». Current Opinion in Solid State and Materials Science, 6 (1) (2002), p. 87-95. [25]  Collins, S. D.; Proctor, C. M.; Ran, N. A.; Nguyen, T.-Q. «Understanding open-circuit voltage loss through the density of states in organic bulk heterojunction solar cells». Advanced Energy Materials, 6 (4) (2016), p. 1501721. [26]  Bartesaghi, D.; Pérez, I. D. C.; Kniepert, J.; Roland, S.; Turbiez, M.; Neher, D.; Koster, L. J. A. «Competition between recombination and extraction of free charges determines the fill factor of organic solar cells». Nature Communications, 6 (1) (2015), p. 7083. [27]  Dibb, G. F. A.; Jamieson, F. C.; Maurano, A.; Nelson, J.; Durrant, J. R. «Limits on the fill factor in organic photovoltaics: Distinguishing nongeminate and geminate recombination mechanisms». The Journal of Physical Chemistry Letters, 4 (5) (2013), p. 803-808. [28]  Kyaw, A. K. K.; Wang, D. H.; Gupta, V.; Leong, W. L.; Ke, L.; Bazan, G. C.; Heeger, A. J. «Intensity dependence of current–


voltage characteristics and recombination in high-efficiency solution-processed small-molecule solar cells». ACS Nano, 7 (5) (2013), p. 4569-4577. [29]  Kniepert, J.; Lange, I.; Kaap, N. J. van der; Koster, L. J. A.; Neher, D. «A conclusive view on charge generation, recombination, and extraction in as-prepared and annealed P3HT:PCBM blends: Combined experimental and simulation work». Advanced Energy Materials, 4 (7) (2014), p. 1301401. [30]  Destruel, P.; Bock, H.; Séguy, I.; Jolinat, P.; Oukachmih, M.; Bedel-Pereira, E. «Influence of indium tin oxide treatment using UV–ozone and argon plasma on the photovoltaic parameters of devices based on organic discotic materials». Polymer International, 55 (6) (2006), p. 601-607. [31]  Hu, Z.; Zhang, J.; Zhu, Y. «Effects of solvent-treated PEDOT:PSS on organic photovoltaic devices». Renewable Energy, 62 (2014), p. 100-105. [32]  Huang, C.-J.; Chen, K.-L.; Tsao, Y.-J.; Chou, D.-W.; Chen, W.-R.; Meen, T.-H. «Study of solvent-doped PEDOT: PSS layer on small molecule organic solar cells». Synthetic Metals, 164 (2013), p. 38-41. [33]  Lee, J. H.; Yoon, S.; Ko, M. S.; Lee, N.; Hwang, I.; Lee, M. J. «Improved performance of organic photovoltaic devices by doping F4TCNQ onto solution-processed graphene as a hole transport layer». Organic Electronics, 30 (2016), p. 302-311. [34]  Zhang, W.; Lan, W.; Lee, M. H.; Singh, J.; Zhu, F. «A versatile solution-processed MoO3/Au nanoparticles/MoO3 hole contact for high performing PEDOT:PSS-free organic solar cells». Organic Electronics, 52 (2018), p. 1-6. [35]  Han, Y. W.; Lee, H. S.; Moon, D. K. «Printable and semitransparent nonfullerene organic solar modules over 30 cm2 introducing an energy-level controllable hole transport layer». ACS Applied Materials & Interfaces, 13 (16) (2021), p. 1908519098. [36]  He, Z.; Zhong, C.; Huang, X.; Wong, W.-Y.; Wu, H.; Chen, L.; Su, S.; Cao, Y. «Simultaneous enhancement of open-circuit voltage, short-circuit current density, and fill factor in polymer solar cells». Advanced Materials, 23 (40) (2011), p. 4636-4643. [37]  Liu, Q.; Jiang, Y.; Jin, K.; Qin, J.; Xu, J.; Lu, W.; Xiong, J.; Liu, J.; Xiao, Z.; Sun, K.; Yang, S.; Zhang, X.; Ding, L. «18% efficiency organic solar cells». Science Bulletin, 65 (2020), p. 272-275. [38]  Yoshino, K.; Tada, K.; Fujii, A.; Conwell, E. M.; Zakhidov, A. A. «Novel photovoltaic devices based on donor-acceptor molec­ ular and conducting polymer systems». IEEE Transactions on Electron Devices, 44 (8) (1997), p. 1315-1324. [39]  Mishra, A.; Bäuerle, P. «Small molecule organic semiconductors on the move: Promises for future solar energy tech­

nology». Angewandte Chemie International Edition, 51 (9) (2012), p. 2020-2067. [40]  Collins, S. D.; Ran, N. A.; Heiber, M. C.; Nguyen, T.-Q. «Small is powerful: Recent progress in solution-processed small mol­ ecule solar cells». Advanced Energy Materials, 7 (10) (2017), p. 1602242. [41]  Ji, Z.; Xu, X.; Zhang, G.; Li, Y.; Peng, Q. «Synergistic effect of halogenation on molecular energy level and photovoltaic performance modulations of highly efficient small molecular materials». Nano Energy, 40 (2017), p. 214-223. [42]  Padinger, F.; Rittberger, R. S.; Sariciftci, N. S. «Effects of postproduction treatment on plastic solar cells». Advanced Functional Materials, 13 (1) (2003), p. 85-88. [43]  Li, G.; Shrotriya, V.; Huang, J.; Yao, Y.; Moriarty, T.; Emery, K.; Yang, Y. «High-efficiency solution processable polymer photovoltaic cells by self-organization of polymer blends». Nature Materials, 4 (11) (2005), p. 864-868. [44]  Burgués-Ceballos, I.; Stella, M.; Lacharmoise, P.; Martínez-­ Ferrero, E. «Towards industrialization of polymer solar cells: material processing for upscaling». Journal of Materials Chem­istry A, 2 (42) (2014), p. 17711-17722. [45]  Liang, Y.; Xu, Z.; Xia, J.; Tsai, S.-T.; Wu, Y.; Li, G.; Ray, C.; Yu, L. «For the bright future—Bulk heterojunction polymer solar cells with power conversion efficiency of 7.4%». Advanced Materials, 22 (20) (2010), p. E135-E138. [46]  Dai, S.; Chandrabose, S.; Xin, J.; Li, T.; Chen, K.; Xue, P.; Liu, K.; Zhou, K.; Ma, W.; Hodgkiss, J. M.; Zhan, X. «High-performance organic solar cells based on polymer donor/small molecule donor/nonfullerene acceptor ternary blends». Journal of Materials Chemistry A, 7 (5) (2019), p. 2268-2274. [47]  Yuan, J.; Zhang, Y.; Zhou, L.; Zhang, G.; Yip, H.-L.; Lau, T.-K.; Lu, X.; Zhu, C.; Peng, H.; Johnson, P. A.; Leclerc, M.; Cao, Y.; Ulanski, J.; Li, Y.; Zou, Y. «Single-junction organic solar cell with over 15% efficiency using fused-ring acceptor with electron-deficient core». Joule, 3 (4) (2019), p. 1140-1151. [48]  Roncali, J.; Frère, P.; Blanchard, P.; De Bettignies, R.; Turbiez, M.; Roquet, S.; Leriche, P.; Nicolas, Y. «Molecular and supramo­lecular engineering of π-conjugated systems for photovoltaic conversion». Thin Solid Films, 511-512 (2006), p. 567-575. [49]  Kesters, J.; Verstappen, P.; Kelchtermans, M.; Lutsen, L.; Vanderzande, D.; Maes, W. «Porphyrin-based bulk heterojunction organic photovoltaics: The rise of the colors of life». Advanced Energy Materials, 5 (13) (2015), p. 1500218. [50]  Xiao, L.; Chen, S.; Gao, K.; Peng, X.; Liu, F.; Cao, Y.; Wong, W.-Y.; Wong, W.-K.; Zhu, X. «New terthiophene-conjugated

47


48

porphyrin donors for highly efficient organic solar cells». ACS Applied Materials & Interfaces, 8 (44) (2016), p. 30176-30183. [51]  Walker, B.; Tamayo, A. B.; Dang, X.-D.; Zalar, P.; Seo, J. H.; Garcia, A.; Tantiwiwat, M.; Nguyen, T.-Q. «Nanoscale phase separation and high photovoltaic efficiency in solution-processed, small-molecule bulk heterojunction solar cells». Advanced Functional Materials, 19 (19) (2009), p. 3063-3069. [52]  Peng, J.; Chen, Y.; Wu, X.; Zhang, Q.; Kan, B.; Chen, X.; Chen, Y.; Huang, J.; Liang, Z. «Correlating molecular structures with transport dynamics in high-efficiency small-molecule organic photovoltaics». ACS Applied Materials & Interfaces, 7 (24) (2015), p. 13137-13141. [53]  Zhang, Q.; Kan, B.; Liu, F.; Long, G.; Wan, X.; Chen, X.; Zuo, Y.; Ni, W.; Zhang, H.; Li, M.; Hu, Z.; Huang, F.; Cao, Y.; Liang, Z.; Zhang, M.; Russell, T. P.; Chen, Y. «Small-molecule solar cells with efficiency over 9», Nature Photonics, 9 (2014), p. 35. [54]  Wang, J.-L.; Yin, Q.-R.; Miao, J.-S.; Wu, Z.; Chang, Z.-F.; Cao, Y.; Zhang, R.-B.; Wang, J.-Y.; Wu, H.-B.; Cao, Y. «Rational design of small molecular donor for solution-processed or­ gan­ic photovoltaics with 8.1% efficiency and high fill factor via multiple fluorine substituents and thiophene bridge». Advanced Functional Materials, 25 (23) (2015), p. 3514-3523. [55]  Cui, C.; Guo, X.; Min, J.; Guo, B.; Cheng, X.; Zhang, M.; Brabec, C. J.; Li, Y. «High-performance organic solar cells based on a small molecule with alkylthio-thienyl-conjugated side chains without extra treatments». Advanced Materials, 27 (45) (2015), p. 7469-7475. [56]  Xu, T.; Chang, Y.; Yan, C.; Yang, Q.; Kan, Z.; Singh, R.; Kumar, M.; Li, G.; Lu, S.; Duan, T. «Fluorinated oligothiophene donors for high-performance nonfullerene small-molecule organic solar cells». Sustainable Energy & Fuels, 4 (6) (2020), p. 26802685. [57]  Duan, T.; Gao, J.; Xu, T.; Kan, Z.; Chen, W.; Singh, R.; Kini, G. P.; Zhong, C.; Yu, D.; Xiao, Z.; Xiao, Z.; Lu, S. «Simple organic donors based on halogenated oligothiophenes for all small molecule solar cells with efficiency over 11%». Journal of Materials Chemistry A, 8 (12) (2020), p. 5843-5847. [58]  Yang, D.; Jiao, Y.; Yang, L.; Chen, Y.; Mizoi, S.; Huang, Y.; Pu, X.; Lu, Z.; Sasabe, H.; Kido, J. «Cyano-substitution on the end-capping group: facile access toward asymmetrical squaraine showing strong dipole–dipole interactions as a high performance small molecular organic solar cells material». Journal of Materials Chemistry A, 3 (34) (2015), p. 17704-17712. [59]  Yang, D.; Sasabe, H.; Jiao, Y.; Zhuang, T.; Huang, Y.; Pu, X.; Sano, T.; Lu, Z.; Kido, J. «An effective π-extended squaraine for

solution-processed organic solar cells with high efficiency». Journal of Materials Chemistry A, 4 (48) (2016), p. 1893118941. [60]  Anthony, J. E. «The larger acenes: Versatile organic semi­ conductors». Angewandte Chemie International Edition, 47 (3) (2008), p. 452-483. [61]  Hains, A. W.; Liang, Z.; Woodhouse, M. A.; Gregg, B. A. «Molecular semiconductors in organic photovoltaic cells». Chemical Reviews, 110 (11) (2010), p. 6689-6735. [62]  He, Y.; Chen, H.-Y.; Hou, J.; Li, Y. «Indene−C60 bisadduct: A new acceptor for high-performance polymer solar cells». Journal of the American Chemical Society, 132 (4) (2010), p. 1377-1382. [63]  Xiao, Z.; Geng, X.; He, D.; Jia, X.; Ding, L. «Development of isomer-free fullerene bisadducts for efficient polymer solar cells». Energy & Environmental Science, 9 (6) (2016), p. 21142121. [64]  Chen, T.-W.; Chang, C.-C.; Hsiao, Y.-T.; Chan, C.; Hong, L.; Zhong, L.; Chuang, W.-T.; Hou, J.; Li, Y.; Hsu, C.-S. «Single-junction organic solar cell containing a fluorinated heptacyclic carbazole-based ladder-type acceptor affords over 13% efficiency with solution-processed cross-linkable fullerene as an interfacial layer». ACS Applied Materials & Interfaces, 11 (34) (2019), p. 31069-31077. [65]  Fan, B.; Zhang, D.; Li, M.; Zhong, W.; Zeng, Z.; Ying, L.; Huang, F.; Cao, Y. «Achieving over 16% efficiency for single-­ junction organic solar cells». Science China Chemistry, 62 (6) (2019), p. 746-752. [66]  Liu, J.; Chen, S.; Qian, D.; Gautam, B.; Yang, G.; Zhao, J.; Bergqvist, J.; Zhang, F.; Ma, W.; Ade, H.; Inganäs, O.; Gundogdu, K.; Gao, F.; Yan, H. «Fast charge separation in a non-fullerene organic solar cell with a small driving force». Nature Energy, 1 (7) (2016), p. 16089. [67]  Lin, Y.; Zhao, F.; Wu, Y.; Chen, K.; Xia, Y.; Li, G.; Prasad, S. K. K.; Zhu, J.; Huo, L.; Bin, H.; Zhang, Z.-G.; Guo, X.; Zhang, M.; Sun, Y.; Gao, F.; Wei, Z.; Ma, W.; Wang, C.; Hodgkiss, J.; Bo, Z.; Inganäs, O.; Li, Y.; Zhan, X. «Mapping polymer donors toward highefficiency fullerene free organic solar cells». Advanced Materials, 29 (3) (2017), p. 1604155. [68]  Li, W.; Hendriks, K. H.; Furlan, A.; Wienk, M. M.; Janssen, R. A. J. «High quantum efficiencies in polymer solar cells at energy losses below 0.6 eV». Journal of the American Chemical Society, 137 (6) (2015), p. 2231-2234. [69]  Yao, H.; Cui, Y.; Yu, R.; Gao, B.; Zhang, H.; Hou, J. «Design, synthesis, and photovoltaic characterization of a small molecular acceptor with an ultra-narrow band gap». Ange­


wandte Chemie International Edition, 56 (11) (2017), p. 3045-3049. [70]  Jia, Z.; Qin, S.; Meng, L.; Ma, Q.; Angunawela, I.; Zhang, J.; Li, X.; He, Y.; Lai, W.; Li, N.; Ade, H.; Brabec, C. J.; Li, Y. «High performance tandem organic solar cells via a strongly infrared-absorbing narrow bandgap acceptor». Nature Communications, 12 (1) (2021), p. 178. [71]  Wadsworth, A.; Moser, M.; Marks, A.; Little, M. S.; Gasparini, N.; Brabec, C. J.; Baran, D.; Mcculloch, I. «Critical review of the molecular design progress in non-fullerene electron acceptors towards commercially viable organic solar cells». Chemical Society Reviews, 48 (6) (2019), p. 1596-1625. [72]  Armin, A.; Li, W.; Sandberg, O. J.; Xiao, Z.; Ding, L.; Nelson, J.; Neher, D.; Vandewal, K.; Shoaee, S.; Wang, T.; Ade, H.; Heumüller, T.; Brabec, C.; Meredith, P. «A history and perspective of nonfullerene electron acceptors for organic solar cells». Advanced Energy Materials, 11 (15) (2021), p. 2003570. [73]  Wang, Y.; Lee, J.; Hou, X.; Labanti, C.; Yan, J.; Mazzolini, E.; Parhar, A.; Nelson, J.; Kim, J. S.; Li, Z. «Recent progress and chal­ lenges toward highly stable nonfullerene acceptor-based organic solar cells». Advanced Energy Materials, 11 (5) (2020), p. 2003002. [74]  Li, C.; Wonneberger, H. «Perylene imides for organic photovoltaics: Yesterday, today, and tomorrow». Advanced Materials, 24 (5) (2012), p. 613-636. [75]  Zhang, J.; Tan, H. S.; Guo, X.; Facchetti, A.; Yan, H. «Material insights and challenges for non-fullerene organic solar cells based on small molecular acceptors». Nature Energy, 3 (9) (2018), p. 720-731. [76]  Duan, Y.; Xu, X.; Li, Y.; Peng, Q. «Recent development of perylene diimide-based small molecular non-fullerene acceptors in organic solar cells». Chinese Chemical Letters, 28 (11) (2017), p. 2105-2115. [77]  Wu, Q.; Zhao, D.; Schneider, A. M.; Chen, W.; Yu, L. «Covalently bound clusters of alpha-substituted PDI—Rival electron acceptors to fullerene for organic solar cells». Journal of the American Chemical Society, 138 (23) (2016), p. 7248-7251. [78]  Zhang, J.; Li, Y.; Huang, J.; Hu, H.; Zhang, G.; Ma, T.; Chow, P. C. Y.; Ade, H.; Pan, D.; Yan, H. «Ring-fusion of perylene diim­ ide acceptor enabling efficient nonfullerene organic solar cells with a small voltage loss». Journal of the American Chemical Society, 139 (45) (2017), p. 16092-16095. [79]  Lin, Y.; Wang, J.; Zhang, Z.-G.; Bai, H.; Li, Y.; Zhu, D.; Zhan, X. «An electron acceptor challenging fullerenes for efficient polymer solar cells». Advanced Materials, 27 (7) (2015), p. 1170-1174.

[80]  Yang, Y.; Zhang, Z.-G.; Bin, H.; Chen, S.; Gao, L.; Xue, L.; Yang, C.; Li, Y. «Side-chain isomerization on an n-type organic semiconductor ITIC acceptor makes 11.77% high efficiency polymer solar cells». Journal of the American Chemical Society, 138 (45) (2016), p. 15011-15018. [81]  Li, S.; Ye, L.; Zhao, W.; Zhang, S.; Mukherjee, S.; Ade, H.; Hou, J. «Energy-level modulation of small-molecule electron acceptors to achieve over 12% efficiency in polymer solar cells». Advanced Materials, 28 (42) (2016), p. 9423-9429. [82]  Li, W.; Ye, L.; Li, S.; Yao, H.; Ade, H.; Hou, J. «A high-efficiency organic solar cell enabled by the strong intramolecular electron push–pull effect of the nonfullerene acceptor». Advanced Materials, 30 (16) (2018), p. 1707170. [83]  Cha, H.; Wu, J.; Wadsworth, A.; Nagitta, J.; Limbu, S.; Pont, S.; Li, Z.; Searle, J.; Wyatt, M. F.; Baran, D.; Kim, J.-S.; Mcculloch, I.; Durrant, J. R. «An efficient, “burn in” free organic solar cell employing a nonfullerene electron acceptor». Advanced Materials, 29 (33) (2017), p. 1701156. [84]  Hu, Z.; Wang, Q.; Wang, Z.; Pan, F.; Zhang, L.; Cao, Y.; Chen, J. «Developing low boiling point solvent additives directly based on non-fullerene based active layer: Higher efficiency and better thickness tolerance». Organic Electronics, 83 (2020), p. 105762. [85]  Jiang, K.; Wei, Q.; Lai, J. Y. L.; Peng, Z.; Kim, H. K.; Yuan, J.; Ye, L.; Ade, H.; Zou, Y.; Yan, H. «Alkyl chain tuning of small mol­ ecule acceptors for efficient organic solar cells». Joule, 3 (12) (2019), p. 3020-3033. [86]  Luo, Z.; Sun, R.; Zhong, C.; Liu, T.; Zhang, G.; Zou, Y.; Jiao, X.; Min, J.; Yang, C. «Altering alkyl-chains branching positions for boosting the performance of small-molecule acceptors for highly efficient nonfullerene organic solar cells». Science China Chemistry, 63 (3) (2020), p. 361-369. [87]  Kan, B.; Feng, H.; Yao, H.; Chang, M.; Wan, X.; Li, C.; Hou, J.; Chen, Y. «A chlorinated low-bandgap small-molecule acceptor for organic solar cells with 14.1% efficiency and low energy loss». Science China Chemistry, 61 (10) (2018), p. 1307-1313. [88]  Zhao, W.; Li, S.; Yao, H.; Zhang, S.; Zhang, Y.; Yang, B.; Hou, J. «Molecular optimization enables over 13% efficiency in or­ ganic solar cells». Journal of the American Chemical Society, 139 (21) (2017), p. 7148-7151. [89]  Lu, S.; Ouyang, D.; Choy, W. C. H. «Recent progress of interconnecting layer for tandem organic solar cells». Science China Chemistry, 60 (4) (2017), p. 460-471. [90]  Lee, Y. K.; Lee, H.; Park, J. Y. «Tandem-structured, hot electron based photovoltaic cell with double Schottky barriers». Scientific Reports, 4 (1) (2014), p. 4580.

49


[91]  Salim, M. B.; Nekovei, R.; Jeyakumar, R. «Organic tandem solar cells with 18.6% efficiency». Solar Energy, 198 (2020), p. 160-166. [92]  Brinkmann, K.; Becker, T.; Zimmermann, F.; Gahlmann, T.; Theisen, M.; Haeger, T.; Olthof, S.; Kreusel, C.; Günster, M.; Maschwitz, T.; Göbelsmann, F.; Koch, C.; Hertel, D.; Caprioglio, P.; Perdigon, L.; Al-Ashouri, A.; Merten, L.; Hinderhofer, A.; Schreiber, F.; Albrecht, S.; Meerholz, K.; Neher, D.; Stolterfoht, M.; Riedl, T. «23.5% efficient monolithic perovskite/organic tandem solar cells based on an ultra-thin metal-like metal-­ oxide interconnect». Research Square. DOI: 10.21203/ rs.3.rs-125381/v1.

50

[93]  Zhang, T.; Iqbal, S.; Zhang, X.-Y.; Wu, W.; Su, D.; Zhou, H.-L. «Recent advances in highly efficient organic-silicon hybrid solar cells». Solar Energy Materials and Solar Cells, 204 (2020), p. 110245. [94]  Heliatek. Pilot projects [en línia]. <https://www.heliatek. com/en/references/>. [95]  ARMOR. Armor industrializes free-form photovoltaics [en línia]. <https://www.armor-group.com/en/armor -industrializes-free-form-photovoltaics>. [96]  DTU Energy. Peculiar uses of flexible solar cells [en línia]. <https://www.energy.dtu.dk/english/Research/Solar-Cells/ Peculiar-uses-of-flexible-solar-cells>.


C. Rodríguez-Seco

E. Martínez-Ferrero

E. Palomares

Cristina Rodríguez-Seco va dur a terme un doctorat en tecnologies per a nanosistemes, bioenginyeria i energia a l’Institut Català d’Investigació Química (ICIQ, Tarragona). Recentment, acaba d’unir-se al grup del professor Ma a l’Institut National de la Recherche Scientifique (INRS, Varennes, Canadà) amb una beca Banting Postdoctoral a fi d’adquirir nous coneixements en nanomaterials per a fotocatàlisi i continuar treballant amb cèl·lules solars, i preparar així el camí cap als processos d’energia verda. Eugenia Martínez-Ferrero és doctora en química, especialista en ciència de materials. Ha fet recerca en dispositius optoelectrònics, com cèl·lules solars i díodes orgànics d’emissió de llum (OLED), des de fa més de quinze anys, buscant la manera de millorar-ne l’eficiència, l’estabilitat i l’escalabilitat. És autora de més de seixanta articles relacionats amb aquests camps de recerca. Actualment treballa a l’Institut Català d’Investigació Química (ICIQ). Emilio Palomares és doctor en química, professor de la Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA) i cap de grup a l’Institut Català d’Investigació Química (ICIQ). Els seus interessos científics estan focalitzats en la preparació de materials per a la producció d’energia i les aplicacions biomèdiques —‌especialment en els dispositius fotovoltaics, l’electrocatàlisi, els processos de transferència de càrrega i la nanociència. És autor de més de 250 publicacions sobre aquests temes, amb un índex h de 66, i de sis patents.

51


Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 20 (2021), p. 52-58 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853  DOI: 10.2436/20.2003.01.125 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Bateries de liti-sofre: el futur de la mobilitat elèctrica? Are Li-S batteries the future of electric mobility? Mateu Borràs Argemí i Flavia Palombarini Centre Tecnològic LEITAT

Resum: L’adopció de la mobilitat elèctrica és imprescindible per avançar en l’ambiciós objectiu d’assolir la neutralitat climàtica de cara al 2050. És, per tant, molt important apostar per la investigació de noves tecnologies que siguin capaces de millorar l’actual tecnologia d’ió liti (tant en termes de rendiment com de sostenibilitat). En aquest context, les bateries de liti-sofre s’alcen com una alternativa gràcies a la seva elevada densitat d’energia (que permetria una autonomia més gran), i a l’abundància i el baix cost del sofre provinent de les indústries químiques i del petroli com a subproducte. Paraules clau: Mobilitat elèctrica, bateries, bateries de liti-sofre.

Abstract: The adoption of electric mobility is essential to advance towards the ambitious goal of achieving climate neutrality by 2050. It is therefore important to develop new technologies enhancing commercial batteries. Lithium-sulfur (Li-S) has the potential to improve the current technology of Li-ion, both in terms of performance and sustainability. Li-S batteries are emerging as a medium-long term alternative thanks to their high energy density (allowing for greater autonomy) and the abundance and low cost of sulfur active material as a by-product of the chemical and oil industries. Keywords: Electric mobility, batteries, Li-S batteries.

Introducció

E

l 2020 ha estat, juntament amb el 2016, l’any més càlid mai registrat [1]. La temperatura mitjana mundial va ser de 14,9 °C, és a dir, 1,2 ± 0,1 °C superior als nivells preindustrials (1850-1900), la qual cosa ens acosta perillosament a l’augment d’1,5 °C que seria fatal per al planeta [2]. És necessari, per tant, un canvi profund en el model energètic mundial (figura 1) per poder afrontar el que, probablement, és la crisi més important de la nostra era. En aquest sentit, la Llei europea del clima consagra el compromís de la Unió Europea (UE) d’arribar a la neutralitat climàtica d’aquí al 2050, amb l’objectiu intermedi de reduir les emissions netes de gasos d’efecte d’hivernacle (CO2, CH4 i NO2, entre d’altres) per al 2030 en, almenys, un 55 % respecte als nivells del 1990 [3].

En aquest context, es fa evident la necessitat urgent de descarbonitzar el sector del transport, mitjançant diverses tecnologies complementàries —‌com ara bateries, hidrogen, combustibles sintètics i biocombustibles sostenibles— que vagin acompanyades de mesures per millorar l’eficiència global del sistema.

El transport representa al voltant d’una quarta part de les emissions totals de CO2 a la UE [5]. A més, a mesura que la demanda de transport continua creixent, les emissions d’aquest tipus de la UE han augmentat al voltant d’un 20 % en comparació amb els nivells del 1990, mentre que les emissions totals de la UE han disminuït entorn d’un 20 % en el mateix període.

52

Correspondència: Mateu Borràs Argemí Centre Tecnològic LEITAT C. de la Innovació, 2. 08225 Terrassa (Barcelona) Tel.: +34 937 882 300. Fax: +34 937 891 906 A/e: mborras@leitat.org

Figura 1.  Emissions globals de gasos d’efecte d’hivernacle en diferents escenaris, especialment, el que comprèn des del 2015 fins al 2030. Reproduït de [4].


El vehicle elèctric Per primera vegada a la història, l’estiu del 2020, les matriculacions de vehicles electrificats van superar les dels dièsel (figura 2) [6]. L’electrificació del transport s’està convertint en una realitat gràcies al suport de les diferents administracions amb l’aprovació de normes com la CAFE (Corporate Average Fuel Emissions [7]), a la millora del rendiment de les bateries i a la important baixada del seu cost en un factor de 10 els últims deu anys. En una bateria per a un vehicle elèctric sempre s’ha d’arribar a un compromís entre una potència alta, una energia elevada, un pes baix, un volum reduït, una vida útil llarga i un cost petit, a més de la seguretat, la reciclabilitat i la sostenibilitat mediambiental. L’actual tecnologia d’ió liti, que és la dominant absoluta en el mercat de la mobilitat elèctrica, ofereix una densitat d’energia d’entre 175 W h kg−1 i 270 W h kg−1 a nivell de cèl·lula i de 100 W h kg−1 a 150 W h kg−1 a nivell de paquet de bateries, amb costos d’entre 100 € / kW h i 150 € / kW h a nivell de mòdul (dades del 2020 de Bloomberg New Energy Finance (BNEF) [8]). En els turismes, això proporciona una autonomia de conducció d’uns 400 km per a una bateria relativament gran i pesant, amb una esperança de vida superior a 150.000 km. Clarament, això no és suficient per a totes les classes de vehicles. Les aplicacions de servei pesant —‌com ara camions i autobusos— exigeixen bateries més grans amb densitats d’energia més altes, mentre que altres aplicacions poden requerir bateries més petites i lleugeres.

ropa i, per tant, han de ser importats. Així doncs, per trobar una alternativa a l’actual generació de bateries d’ió liti, cal buscar tecnologies que potencialment puguin donar un rendiment més elevat, sempre tenint en compte tota la cadena de valor.

Les bateries de liti-sofre En aquest context, les bateries de liti-sofre han rebut molta atenció com a sistema d’emmagatzematge d’energia d’última generació gràcies a la seva alta densitat d’energia i a una capacitat específica teòrica de 2 600 W h kg−1 i 1 675 mAh g−1, respectivament [9] (figura 3a). A més, l’alta abundància i el baix cost del sofre el converteixen en un material molt atractiu i econòmicament viable (figura 3b). Aquests avantatges fan que les bateries de liti-sofre siguin una alternativa molt suggeridora en comparació amb les d’ió liti [10]. Tot i això, la tecnologia de liti-sofre per a les bateries presenta diversos desavantatges i desafiaments tècnics que cal resoldre per superar el predomini de les bateries d’ió liti en el mercat. Entre aquests desavantatges —‌que centren ara la investigació d’aquesta tecnologia [11]—, hi ha la poca seguretat (deguda a l’ús del liti metàl·lic a l’ànode), la baixa densitat d’energia volumètrica en comparació amb les seves possibilitats i el baix ciclatge.

Figura 3.  a) Comparació de la densitat d’energia entre les bateries d’ió liti i les de liti-sofre (reproduït de [12] amb permís) i b) comparació del cost dels materials que formen el càtode (elaboració pròpia).

Figura 2.  Registre mensual de cotxes segons el tipus de combustible com a percentatge del total. Període de 2011 a 2020 a l’Europa dels 27. Reproduït de [6].

Per tant, s’han d’aconseguir millores en les properes generacions de bateries per tal d’assolir una densitat d’energia (major autonomia) i una potència (càrrega ràpida) més elevades, millorar la seguretat i la reciclabilitat i eliminar la dependència de materials crítics (CRM). Aquests materials, que són molt utilitzats en la fabricació de bateries, no es troben a Eu-

Funcionament Les bateries de liti-sofre estan formades per un ànode de liti metàl·lic, un separador que evita el curtcircuit del sistema, un electròlit per on es desplacen els ions i un càtode de sofre i carboni. El sofre serveix de material actiu, mentre que el carboni fa de material conductor, ja que el primer és un material aïllant.

53


Aquest sistema es basa en la conversió del sofre, mentre que el sistema de les bateries d’ió liti es basa en la intercalació de l’ió liti. Una altra diferència clara entre les dues bateries és que la d’ió liti s’ha de carregar, mentre que la de liti-sofre ja surt carregada de fàbrica.

sofre es comporta d’una manera similar a la bateria d’ió liti, amb un lleuger augment del rang elèctric del 2 % i del 10 % per als sistemes dels vehicles elèctrics de bateria (BEV) i els vehicles elèctrics endollables (PHEV), respectivament, amb una disminució del 15 % en pes (a nivell de paquet) al mateix volum [14].

Quan la bateria es posa en funcionament, es produeix la descàrrega allà on el material actiu —‌el S8 (s)— és reduït a S82−, i reacciona amb l’ió liti disponible a l’electròlit per formar Li2S8. A partir d’aquest moment, el sistema passa per diverses etapes, la majoria reversibles, fins a l’obtenció de Li2S2 i Li2S, ambdós sòlids —‌tal com es pot veure a la figura 4. Aquestes últimes reaccions es consideren de reversibilitat feble, i en aquest estadi és on comença la pèrdua del material actiu i, per tant, del temps de vida de la bateria. Figura 5.  Resultats del projecte ALISE. Elaboració pròpia.

Construït a partir de les bases d’ALISE, el projecte LISA té l’ambició de millorar la bateria de liti-sofre convertint l’electròlit líquid en un electròlit sòlid, principalment per abordar els problemes relacionats amb el rendiment tèrmic i la càrrega ràpida, i assolir cicles de càrrega i descàrrega més elevats. Figura 4.  Desglossament de les reaccions que tenen lloc en una bateria de liti-sofre. Elaboració pròpia.

A més, durant el ciclatge i en certes condicions, es poden generar gasos tòxics com el H2S i el SO2, els quals provoquen un escalfament excessiu de la cèl·lula i un augment de volum d’aquesta que, fins i tot, pot desencadenar l’explosió de la bateria.

El projecte LISA té com a objectiu aconseguir una tecnologia de liti-sofre amb una densitat gravimètrica i volumètrica de 400 W h kg−1 i 700 W h L−1, respectivament (vegeu la figura 6), en què grans empreses com Renault i VDL fan d’avaluadors i integradors d’aquesta tecnologia no només en els cotxes elèctrics, sinó també en els camions i els autobusos elèctrics, on el pes, la seguretat i el cost de les actuals bateries d’ió liti continuen sent un problema. A més, LISA permetrà avançar en l’escalat de la fabricació dels diferents materials (desenes de kilograms) i components (desenes de metres) per arribar a produir

El projecte LISA

54

Entre altres iniciatives, l’anterior projecte «Advanced Lithium Sulphur battery for xEV» (ALISE) (2015-2019; figura 5) va permetre demostrar, en una prova de conducció estàndard en vehicle híbrid endollable (PHEV) i vehicle elèctric (EV), una tecnologia de liti-sofre més lleugera —‌amb un rang una mica superior al del ió liti a nivell de mòdul— i validar-ne la seguretat per ser utilitzada de manera mecànica i elèctrica. Segons els tests resultants de la simulació efectuats al «Lithium Sulphur for safe road electrification» (LISA) a nivell de cotxe (NEDZ, nano-engineered device simulation, i WLTP, worldwide harmonized light vehicles test procedure), la bateria de liti-

Figura 6.  Full de ruta del projecte LISA respecte a l’impacte esperat per al 2030 del SET Plan número 7 de la UE. Les dades mostrades són a nivell de cel·la. Elaboració pròpia.


Organització i paquets de treball del projecte LISA

entre 50 i 200 cel·les de 20 A h. Finalment, LISA explorarà també el reciclatge de la tecnologia de liti-sofre, per millorar-­ ne la sostenibilitat.

El pla de treball per assolir els objectius del projecte està organitzat en vuit paquets de treball (work packages, WP) relacionats entre si, tal com es pot veure a la figura 8.

L’equip del projecte LISA La cadena de valor coberta per l’equip del projecte LISA es presenta a la figura 7. Les activitats que proposa LISA tindran un efecte important en l’R+D de materials i components, en els processos innovadors de fabricació, en la producció de cel· les verdes i en la modelització i el reciclatge, que reforçaran la posició d’Europa en la investigació de bateries. Cal destacar que LISA compta amb l’única empresa del món que comercialitza aquest tipus de bateries, i que aquest mateix any 2021 ha anunciat que començarà a produir cel·les d’estat sòlid perquè puguin ser utilitzades en assaigs, proves de concepte i prototips [15].

Figura 8.  Tècnica de revisió i avaluació de programes (o projectes) (de l’anglès PERT, program evaluation and review techniques) del projecte LISA. Elaboració pròpia.

El WP1 s’encarrega de la direcció del projecte. El WP2 estableix les especificacions dels components de les cel·les, proves específiques, requisits de modelatge i reciclatge. El WP3 presenta un enfocament disruptiu i molt ambiciós per a la fabricació de cel·les de liti-sofre, basat en nous processos electro-

Figura 7.  Cadena de valor del projecte LISA. Elaboració pròpia.

Taula 1.  Consorci del projecte LISA. Elaboració pròpia. Soci

País

Institució

Àrea de coneixement

LEITAT

Espanya

centre de recerca

materials per a l’energia

OXIS Energy

Regne Unit

PIME

fabricant de bateries

Cranfield University

Regne Unit

universitat

estimació del SoH*

Varta Micro Battery

Alemanya

gran empresa

fabricant de bateries

CIC Energigune

Espanya

centre de recerca

materials per a l’energia

Arkema

França

gran empresa

materials

Fraunhofer

Alemanya

centre de recerca

materials per a l’energia

Pulsedeon

Finlàndia

PIME

deposició de Li i electròlit sòlid mitjançant PLD**

ACCUREC Recycling

Alemanya

PIME

reciclatge

OPTIMAT

Regne Unit

PIME

pla de negoci i explotació

Technical Universität Dresden

Alemanya

universitat

modelatge de materials de carboni

VDL Enabling Transport Solutions BV

Països Baixos

gran empresa

transport

Renault SAS

França

gran empresa

transport

* SoH, estat de salut (state of health); ** PLD, deposició de làser polsat (pulsed laser deposition).

55


56

químics, físics i tèrmics, i deposicions de liti per rotllo a rotllo (roll-to-roll). El WP4 està dedicat al desenvolupament d’un electròlit sòlid (polimèric i hibridat amb materials ceràmics). El WP5 està orientat a la fabricació d’un càtode que vagi més enllà del càtode postliti i més enllà dels mètodes tradicionals de tinta i recobriment, incloent-hi els processos secs i d’extrusió. Es preveu que hi hagi una bona retroalimentació de les activitats de modelatge (WP6) amb els tres grups de treball dels diferents components de la cel·la (WP2, WP4 i WP5) per minimitzar el nombre de candidats i els processos i, també, per comprendre els fenòmens que tenen lloc entre les diferents interfícies.

propera dècada. No obstant això, i d’una manera paral·lela, cal continuar avançant en la recerca de noves tecnologies basades en l’ús de materials abundants i amb capacitat de millorar-ne el rendiment i la seguretat, a més d’abaixar-ne el preu. En aquest context, la tecnologia de liti-sofre destaca entre altres tecnologies com una possible alternativa de futur, gràcies a la seva alta densitat d’energia teòrica, la gran abundància de sofre que hi ha i el baix cost dels materials utilitzats, a més del seu avançat grau de desenvolupament en comparació amb altres tecnologies emergents com poden ser les bateries metall-aire (Zn, Al, Li, etc.) o metall-ió (Na, Ca, Zn, Mg, etc.).

En el WP6 es desenvolupen nous estimadors d’estat de càrrega (state of charge, SoC) i envelliment. A més, s’hi durà a terme l’avaluació del prototip final per analitzar-ne el rendiment i demostrar-ne la seguretat en un entorn controlat. El WP7 cobreix un treball experimental sobre el reciclatge de cel·les, que considera tant l’anàlisi del cicle de vida / cost del cicle de vida (LCA/LCC) com l’avaluació d’economia circular. Finalment, el WP8 està dedicat a la promoció de la tecnologia i a la difusió dels resultats del projecte LISA per tal de garantir que es compartiran i que acabaran arribant al mercat dels vehicles i els autobusos elèctrics en el futur.

En aquest sentit, projectes com el LISA són clau, ja que permeten a les empreses i als centres de recerca sumar forces per fer front als desafiaments tecnològics que presenten les tecnologies emergents, les quals, a causa del baix grau de maduresa que tenen, encara no disposen d’una indústria forta al darrere que permeti afrontar les grans inversions en R+D necessàries per accelerar-ne el desenvolupament i, finalment, permetre que arribin al mercat en el futur.

Pel que fa a la gestió i la coordinació del projecte, correspon al WP1, sempre molt important a causa del gran nombre d’empreses i de països implicats.

Els projectes ALISE i LISA han estat finançats per la Unió Europea (UE) sota els convenis de subvenció 666157 i 814471, respectivament.

Conclusions

Referències i altres fonts

La investigació en el desenvolupament de bateries, ja sigui per millorar les bateries d’ió liti actuals o per aplicar-la a noves tecnologies, és clau per poder fer el pas definitiu cap a la mobilitat elèctrica, una meta que és a l’agenda de la Unió Europea amb l’objectiu d’assolir la neutralitat climàtica el 2050. En aquest sentit, un informe de la Federació Europea de Transport i Medi Ambient estima que, a partir del 2030, a tot el territori de la UE només s’haurien de vendre aquest tipus de vehicles [16] per poder mantenir a ratlla l’augment de la temperatura global i no arribar als fatídics 1,5 °C.

[1]  Copernicus Climate Change Service. «European state of the climate 2020» [en línia]. <https://climate.copernicus.es/ ESOTC/2020> [Consulta: 3 maig 2021]. [2]  Copernicus Climate Change Service. «Global temperature trend monitor» [en línia], 2021. <https://cds.climate.coperni cus.eu/cdsapp#!/software/app-c3s-global-temperature -trend-monitor?tab=app> [Consulta: 3 maig 2021]. [3]  European Commission. «Proposal for a REGULATION OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL establishing the framework for achieving climate neutrality and amending Regulation (EU) 2018/1999 (European Climate Law) COM/2020/80 final» [en línia]. <https://eur-lex.europa.eu/ legal-content/EN/TXT/?qid=1588581905912&uri= CELEX%3A52020PC0080> [Consulta: 3 maig 2021].

Gràcies al bon rendiment i a l’avançat grau d’industrialització de la tecnologia d’ió liti, és clar que aquesta continuarà sent la solució per a la mobilitat elèctrica com a mínim durant la

Agraïments


[4]  United Nations Environment Programme. «Emisions Gap Report 2020» [en línia]. <https://www.unep.org/emissions-gap -report-2020> [Consulta: 3 maig 2021]. [5]  European Commission. «EU energy in figures – statistical pocket book (2019)» [en línia]. <https://www.euneighbours. eu/sites/default/files/publications/2019-09/MJAB19001ENN. en_.pdf> [Consulta: 3 maig 2021]. [6]  JATO. «In September 2020, for the first time in European history, registrations for electrified vehicles overtook diesel» [en línia]. <https://www.jato.com/in-september-2020-for-the -first-time-in-european-history-registrations-for-electrified -vehicles-overtook-diesel> [Consulta: 14 maig 2021]. [7]  National Highway Traffic Safety Administration. «Corporate average fuel economy» [en línia]. <https://www.nhtsa.gov/ laws-regulations/corporate-average-fuel-economy> [Consulta: 14 maig 2021]. [8]  Bloomberg NEF. «Battery pack prices cited below $100/kWh for the first time in 2020, while market average sits at $137/kWh» [en línia]. <https://about.bnef.com/blog/ battery-pack-prices-cited-below-100-kwh-for-the-first -time-in-2020-while-market-average-sits-at-137-kwh/> [Consulta: 14 maig 2021]. [9]  Bruce, P. G.; Freunberger, S. A.; Hardwick, L. J.; Tarascon, J. M. «LiO2 and Li-S batteries with high energy storage», Nat. Mater., 11 (1) (2012), p. 19-29.

[10]  Knoop, J. E.; Ahn, S. «Review recent advances in nanomaterials for high-performance Li-S batteries». J. Energy Chem., 47 (2020), p. 86-106. [11]  Benveniste, G.; Rallo, H.; Canals Casals, L.; Merino, A.; Amante, B. «Comparison of the state of lithium-sulphur and lithium-ion batteries applied to electromobility». J. Environ. Manage., 226 (2018), p. 1-12. [12]  Seh, Z. W.; Sun, Y.; Zhang, Q.; Cui, Y. «Designing high-energy lithium-sulfur batteries». Chem. Soc. Rev., 45 (20) (2016), p. 5605-5634. [13]  Propp, K. [et al.]. «Multi-temperature state-dependent equivalent circuit discharge model for lithium-sulfur batteries». J. Power Sources, 328 (2016), p. 289-299. [14]  European Commission. Innovation Radar [en línia]. <https://www.innoradar.eu/resultbykeyword/ALISE> [Consulta: 14 maig 2021]. [15] OXIS Energy. «OXIS Energy set to make solid-state lithium-­sulfur cell technology a reality» [en línia]. <https:// oxisenergy.com/wp-content-uploads-2020-11-press-release -nov-2020-final-pdf-2/> [Consulta: 3 maig 2021]. [16]  Transport and Environment. «Support in European cities for only selling emissions-free cars after 2030» [en línia]. <https:// www.transportenvironment.org/publications/support -european-cities-only-selling-emissions-free-cars-after -2030> [Consulta: 3 maig 2021].

57


M. Borràs

F. Palombarini

Mateu Borràs Argemí és llicenciat en química per la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB). Cursà el Màster en Electroquímica, Ciència i Tecnologia de la Universitat Autònoma de Madrid (UAM), on va ser intern del Grup de Recerca Electroquímica, treballant en bateries d’alumini-aire i d’ió liti. Actualment desenvolupa la seva tasca professional a LEITAT, on és investigador del Grup d’Emmagatzematge d’Energia, centrat en la investigació de bateries postliti i supercondensadors. També participa en activitats d’execució, gestió i explotació de diversos projectes nacionals i internacionals, finançats per contractes públics competitius o industrials. Flavia Palombarini és llicenciada en química per la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) i té el Màster en Electroquímica de la UAB - Centre Nacional de Microelectrònica (CNM). Actualment cursa un doctorat en física a la Universitat del País Basc (UPB/EHU) i desenvolupa la seva tasca professional a LEITAT, on és investigadora del Grup d’Emmagatzematge d’Energia, centrat en la investigació de bateries postliti i bateries de flux redox. També participa en activitats d’execució, gestió i explotació de diversos projectes nacionals i internacionals, finançats per contractes públics competitius o industrials.

58


Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 20 (2021), p. 59-74 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853  DOI: 10.2436/20.2003.01.126 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Sistemes bioelectroquímics: una tecnologia innovadora per a la valorització d’aigües residuals urbanes i industrials Bioelectrochemical systems: An innovative technology for urban and industrial wastewater valorisation Pau Bosch-Jiménez, Daniele Molognoni, Clara Corbella, Pau López, Sergio Aguado, Martí Aliaguilla i Eduard Borràs Centre Tecnològic LEITAT

Resum: Aquest article tracta dels sistemes bioelectroquímics (BES, bioelectrochemical systems), dels quals es descriu el funcionament, les aplicacions que tenen i els elements clau que els componen (els elèctrodes i les membranes que integren aquest tipus de reactors). A més, a partir de la recerca realitzada per LEITAT, es descriuen diverses aplicacions, processos i rendiments dels BES, com són les cel·les de combustible microbianes, els electrowetlands, les cel·les de dessalinització microbianes, els BES per a la producció de biocombustibles i els BES per a l’eliminació de contaminants o per a la recuperació de nutrients. Paraules clau: Sistemes bioelectroquímics, biometà, nutrients, aiguamolls construïts, bioremediació, digestió anaeròbica, electrofermentació.

Abstract: This article describes the bioelectrochemical systems, including the operating principle, technology applications, key components, electrodes and membranes of the BES reactor. Additionally, on the basis of research carried out by LEITAT, a description is given of some of the applications, processes, and performances of BES systems, including the microbial fuel cell, electrowetlands, microbial desalination cells, BES systems for the production of biofuels, and BES systems for the elimination of contaminants and for the recovery of nutrients. Keywords: Bioelectrochemical systems, biomethane, nutrients, constructed wetlands, bioremediation, anaerobic digestion, electrofermentation.

Introducció

E

ls sistemes bioelectroquímics (BES) són una tecnologia innovadora fruit de la sinergia entre dues ciències, l’electroquímica i la biotecnologia, per tal com integren elèctrodes (ànode i càtode) dins de reactors biològics. En lloc de fer servir catalitzadors químics, en els BES hi ha microorganismes electroactius amb capa­ citat per a intercanviar electrons amb l’elèctrode, ja sigui adherint-se damunt la superfície dels elèctrodes, generant un biofilm o com a biomassa en suspensió. Aquests microorganismes s’utilitzen com a catalitzadors biològics per a dur a terme diferents reaccions d’oxidació a l’ànode i de reducció al càtode. La capacitat dels microorganismes de transferir electrons fora de la seva membrana cel·lular, cap a un elèctrode sòlid, va ser descoberta per Potter ja el 1911 [1]. Tanmateix, no ha estat fins a l’inici d’aquest segle que s’ha observat el gran potencial d’aquesta tecnologia per al tractament d’aigües residuals amb la generació o recuperació d’energia elècCorrespondència: Pau Bosch-Jiménez Centre Tecnològic LEITAT C. de la Innovació, 2. 08225 Terrassa (Barcelona) Tel.: +34 937 882 300. Fax: +34 937 891 906 A/e: pbosch@leitat.org

trica, mitjançant la tecnologia BES anomenada cel·la de combustible microbiana (MFC, microbial fuel cell ) [2, 3]. A partir del 2005, aproximadament, s’han descobert i desenvolupat altres aplicacions BES amb més potencial tecnoeconòmic, gràcies a la flexibilitat de la tecnologia, que permet no només recuperar electricitat, sinó també aplicar-ne a través d’un circuit extern per dur a terme reaccions redox termodinàmicament desfavorables [4]. Entre aquestes aplicacions, trobem la dessalinització (per mitjà de cel·les de dessalinització microbianes, MDC, microbial desalination cells) [5]; la recuperació de nutrients [6], i el tractament d’aigües contaminades amb metalls [7, 8], hidrocarburs [9] o antibiòtics [10], entre altres contaminants, mitjançant el procés anomenat electrobioremediació. Finalment, cal destacar que els BES, a partir de l’aplicació d’energia elèctrica externa, també poden ser utilitzats per a generar biocombustibles com l’hidrogen (amb cel· les d’electròlisi microbianes, MEC, microbial electrolysis cells) [11, 12], el metà [13, 14], alcohols [15] o altres químics de valor afegit [16] a partir de la reducció del CO2 mitjançant les tecnologies BES anomenades cel·les d’electrosíntesi microbianes (MES, microbial electrosynthesis cells). Quan l’objectiu és emmagatzemar excedents d’energia elèctrica procedents, per exemple, d’un entorn renovable, els BES entren en l’abast de les tecnologies anomenades power-to-gas / chemical [14].

59


Les aplicacions descrites al paràgraf anterior presenten els BES com un sistema d’actualització i millora de diferents processos —‌com la dessalinització o la bioremediació. No obstant això, el potencial excepcional dels BES es troba en la capacitat que tenen de transformar les actuals estacions depuradores d’aigües residuals (EDAR) en electrobiorefineries, és a dir, plantes més eficients energèticament i generadores de combustibles sostenibles i de productes químics de valor afegit [17]. Avui en dia, les EDAR depuren les aigües residuals per poder retornar-les al medi ambient, tractar-les com un residu i destinar molts recursos —‌tant energètics com econòmics— a la degradació del seu contingut de matèria orgànica i nutrients. En els últims anys, les tecnologies de tractament s’han anat millorant per a augmentar-ne el rendiment, disminuir-ne la despesa energètica, reduir-ne la producció de fangs biològics i valoritzar-ne el contingut energètic, a través de la producció i l’ús del biogàs. Malgrat això, l’objectiu d’aquestes tecnologies continua sent la destrucció dels contaminants que hi ha a l’aigua residual, sense aprofitar-ne el contingut energètic i/o els recursos. Per a complir amb els reptes i els objectius de sostenibilitat actuals, cal que hi hagi un canvi de paradigma a les EDAR, mitjançant el desenvolupament i la implementació de tecnologies perquè, en comptes de plantes de tractament d’aigües residuals, esdevinguin plantes d’on extreure recursos, sobretot energia i nutrients o altres productes de valor afegit. En aquest marc, els BES tenen el potencial d’aportar moltes solucions, ja que la combinació d’un procés biològic amb un d’electroquímic, en un mateix reactor, permet millorar el rendiment dels processos actuals del tractament d’aigües residuals, des del punt de vista de l’eficiència energètica i de la recuperació de recursos.

60

La configuració més habitual en els reactors BES consisteix en un ànode i un càtode separats per una membrana (figura 1). A l’ànode, hi té lloc un procés d’oxidació, normalment de la matèria orgànica (procés biòtic, acetat/HCO3− E′o = −0,28 V vs. elèctrode estàndard d’hidrogen (SHE) a pH 7) o d’electròlisi de l’aigua (procés abiòtic, H2O/O2, E′o = 0,82 V vs. SHE). Al càtode, s’hi produeix la reacció complementària de reducció, que també pot ser abiòtica o biòtica, i depèn de l’aplicació per a la qual s’utilitzin els reactors BES. Per exemple, al càtode, s’hi pot reduir l’oxigen (O2/H2O, E′o = 0,82 V vs. SHE) o s’hi poden produir altres reaccions, com l’evolució d’hidrogen (H+/H2, E′o = −0,41 V vs. SHE) o la conversió de CO2 a químics com el metà (HCO3−/CH4, E′o = −0,28 V vs. SHE) [18].

Figura 1.  Esquema general dels BES. Elaboració pròpia.

Per a la generació d’electricitat en els BES —‌és el cas de les MFC—, la reacció global ha de ser espontània, és a dir, el voltatge de cel·la resultant de les dues semireaccions ha de ser positiu (E′o càtode − E′o ànode > 0). A les MFC, l’ànode té sempre la funció de tractar aigua residual mitjançant l’oxidació de matèria orgànica (acetat). Al càtode, generalment hi té lloc la reducció de l’oxigen, de manera que el voltatge teòric resultant de cel·la és 1,10 V. A la pràctica, el voltatge resultant o voltatge de circuit obert (OCV) de les MFC és 0,6-0,7 V, inferior al teòric, a causa dels sobrepotencials dels elèctrodes [19]. En el cas de les MEC i les MES, el voltatge de cel·la resultant de les dues semireaccions és negatiu (E′o càtode − E′o ànode < 0); aquest procés és més eficient energèticament si s’utilitza un ànode biòtic, respecte a un d’abiòtic, amb electròlisi de l’aigua. Això és així perquè si l’evolució de l’hidrogen es combina amb l’electròlisi de l’aigua a l’ànode, el voltatge de cel·la teòric resultant és −1,23 V; en canvi, si es combina amb la degradació de matèria orgànica, el voltatge de cel·la teòric resultant és −0,13 V [18]. Per tant, un ànode biòtic tindrà un requeriment de voltatge extern inferior i, en aquest aspecte, els BES representen un avantatge potencial respecte dels electrolitzadors comercials pel que fa a la producció d’hi­ drogen. Com s’ha comentat anteriorment, els BES tenen tres components clau: l’ànode, el càtode i, usualment, una membrana d’intercanvi iònic que separa els dos electròlits. Els materials


utilitzats per als ànodes biòtics han de ser robustos mecànicament, resistents a la corrosió, conductors de l’electricitat (< 1 ohm cm), biocompatibles i hidrofílics, a més de tenir una àrea superficial gran (> 0,3 m2/g), una porositat elevada (> 90 %) i un diàmetre dels porus que superi els 10 µm. Amb aquests requisits es garanteixen l’estabilitat química de l’elèctrode, una bona conducció dels electrons i la formació del biofilm electroactiu a la superfície de l’elèctrode. Els materials que compleixen millor aquests requisits són els que estan basats en el carboni —‌com feltres, teixits, fibres, papers, raspalls o grànuls— i, a més, tenen un cost relativament baix, són escalables i se’n pot modificar fàcilment la superfície perquè hi quedin adherits més microorganismes (figura 2) [20]. Segons els materials emprats en el càtode, es diferencien dos tipus principals de càtodes: d’una banda, els d’aire abiòtics —‌utilitzats en la majoria de les MFC— i, de l’altra, els biòtics —‌usats en la generació bioelectroquímica d’algun producte. Els materials per als càtodes d’aire —‌que són similars als que s’utilitzen a les cel·les d’hidrogen de tipus PEM (polymer electrolyte membrane)— han de ser resistents a la corrosió i robustos mecànicament, a més de permetre la difusió d’oxigen fins al catalitzador i tenir una conductivitat alta (< 1 ohm cm), una àrea superficial gran (> 100 m2/g), presència de mesoporus i microporus i un catalitzador per a la reducció d’oxigen. Els materials més usats en els càtodes d’aire són de carboni, com teixits o papers recoberts amb una capa que conté un catalitzador per a la reacció de reducció de l’oxigen, juntament amb polímers aglutinants per a garantir la hidrofobicitat adient, sense pèrdues d’aigua i amb una bona difusió de l’oxigen fins al catalitzador. El catalitzador més eficient és el platí; tanmateix, a causa de l’elevat cost que té,

s’estan desenvolupant alternatives [21, 22]. Pel que fa als càtodes biòtics, els materials utilitzats han de tenir les mateixes característiques que en el cas dels ànodes, perquè han de permetre que els microorganismes electroactius s’hi adhereixin i formin un biofilm. Aquí també és desitjable que el material tingui una bona cinètica d’evolució d’hidrogen, motiu pel qual s’hi inclouen catalitzadors amb aquestes propietats o s’usen elèctrodes metàl·lics d’acer inoxidable, de níquel o de diferents tipus d’aliatges [23]. Entre l’ànode i el càtode és habitual que s’hi incorpori una (o més d’una) membrana d’intercanvi iònic. Perquè hi hagi un bon funcionament del BES, la membrana ha de tenir una resistència elèctrica baixa (1-3 ohm cm2), estabilitat a diferents pH, permeabilitat reduïda a l’aigua i a l’oxigen, poca tendència a quedar bruta tant per espècies químiques com per creixement de biofilm, i un baix cost de producció a escala industrial. A més, en certes aplicacions cal que tingui una selectivitat baixa a diferents ions, i en d’altres, una selectivitat alta a uns ions específics. Les membranes més utilitzades són les polimèriques (NafionTM, Hyflon®, Ultrex®, Fumatec i Membrane International en són els proveïdors principals). També s’han reportat estudis en què es fan servir separadors inespecífics, com fibra de vidre, ceràmica, bosses biodegradables, sorra fina i materials ceràmics [24, 25]. Entre les membranes polimèriques d’intercanvi iònic, podem diferenciar les d’intercanvi catiònic i les d’intercanvi aniònic. A les MFC, les més utilitzades són les membranes d’intercanvi catiònic —‌com el NafionTM—, però a causa de l’elevat cost que tenen (> 800 €/m2) se n’han desenvolupat i estudiat d’altres. En altres aplicacions dels BES —‌com les MDC—, s’usen en el mateix reactor els dos tipus de membrana, per a permetre la dessalinització, tal com s’explica més endavant [26-29].

Figura 2.  Ànode d’una MFC operativa: a) fibres de carboni, amb biofilm electroactiu adherit a la superfície de les fibres. Fotografia dels autors. b) Biofilm sobre un elèctrode de fibres de carboni (imatge obtinguda mitjançant un microscopi de rastreig). Elaboració pròpia.

61


A continuació i a partir dels estudis i de la recerca que hem dut a terme a LEITAT, es descriuen amb més profunditat diferents aplicacions, processos i rendiments dels BES.

Sistemes bioelectroquímics per al tractament d’aigua residual i la producció d’electricitat Les cel·les de combustible microbianes (MFC, microbial fuel cells) són els primers BES que es van desenvolupar. Tot i que els sistemes MFC han mostrat un alt potencial com a font d’energia renovable i com a tecnologia de tractament d’aigües residuals, la recuperació d’energia mitjançant aigües residuals domèstiques és baixa (12 W/m3) [30] i existeixen pocs estudis i exemples que demostrin l’escalat de la tecnologia en el rang d’1 fins a 1 000 L de volum tractat d’aigües residuals [31, 32]. Hi ha dos tipus principals de MFC: d’una banda, les MFC de dues cambres amb catòlit líquid —‌en què normalment s’utilitza ferro-ferricianur (o altres mediadors redox)—, i de l’altra, la MFC de càtode d’aire. La MFC de catòlit líquid és més eficient electroquímicament (experimenta sobrepotencials menors), però des dels punts de vista operatiu i mediambiental no és viable, ja que el catòlit s’ha de canviar o regenerar. La MFC de càtode d’aire té menys capacitat de generació d’electricitat, però la reacció en el càtode només necessita oxigen i el producte és aigua [2]. Per aquest motiu, LEITAT ha focalitzat la seva investigació en les MFC de càtode d’aire. Des de LEITAT s’han centrat els esforços a desenvolupar càtodes d’aire amb un rendiment elevat de la reacció de reducció

62

Figura 3.  Càtodes d’aire desenvolupats per LEITAT consistents en nanofibres de carboni dopades amb diferents concentracions de metalls (níquel, cobalt i ferro). Imatges obtingudes mitjançant un microscopi de rastreig. Reproduït de [22].

d’oxigen (ORR), estabilitat a llarg termini i un baix cost material, fets indispensables per a poder escalar la tecnologia. Es van desenvolupar càtodes d’aire que no contenen platí i compostos de nanofibres de carboni (CNF) dopades amb metalls (Co, Ni o Fe), sintetitzats mitjançant electrospinning seguit d’un tractament tèrmic (figura 3). La caracterització física mostra nanopartícules de Co, Ni o Fe, disperses de manera homogènia a través de la matriu macroporosa de CNF amb porositat alta i àrees superficials fins a 573 m2/g. Es va dur a terme la caracterització d’ORR dels materials mitjançant voltametries cícliques (figura 4a), els resultats de les quals indiquen que la presència de nanopartícules metàl·liques, juntament amb l’augment dels valors de mesoporositat, milloren l’activitat catalítica del càtode. Aquests materials es van estudiar

Figura 4.  a) Escombratge de reducció de la voltametria cíclica de diferents materials en PBS saturat en O2 i b) paràmetres elèctrics del funcionament de la MFC. Reproduït de [22].


inicialment en una MFC a escala mL, a nivell de laboratori, fins a realitzar un escalat d’una MFC d’1,5 L i utilitzar l’elèctrode format per CNF dopades amb cobalt com a càtode d’aire. Els resultats van mostrar una estabilitat a llarg termini dels càtodes desenvolupats (t > 6 000 h) i un rendiment elèctric elevat, de manera que s’arriba a densitats de potència elèctrica de fins a 14,4 W/m3 (92 mW/m2) (figura 4b) [22]. Aquesta MFC es troba operativa d’una manera continuada des de fa cinc anys, la qual cosa representa més de 40 000 hores de funcionament. Tot i això, per mitjà de la tecnologia MFC no s’ha assolit un grau de viabilitat tecnoeconòmica suficient per a entrar al mercat del tractament d’aigües residuals i de generació d’electricitat. Empreses com Fluence han desenvolupat la tecnologia a escala pilot, però l’única empresa que comercialitza actualment una tecnologia per al tractament d’aigües residuals és Aquacyl [33]. No obstant això, en els últims anys ha augmentat l’interès per combinar aquesta tecnologia amb aiguamolls construïts per al tractament descentralitzat d’aigües residuals [34, 35]. La raó és la sinergia entre les dues tecnologies i que la integració d’una MFC als aiguamolls construïts permet augmentar l’eficiència i la robustesa del tractament, a més de generar potència elèctrica de baixa intensitat per a alimentar in situ sensors de qualitat de l’aigua o de l’ambient. LEITAT ha batejat aquesta tecnologia sinèrgica com a electrowetland —‌si bé científicament és coneguda com a constructed wetland coupled with microbial fuel cells— i l’ha desenvolupat des del nivell de laboratori fins a l’escala prepilot (figura 5a). Actualment, en el marc del projecte europeu «UrbanGreenUp», se n’està construint una planta de demostració, de 50 m2, a Valladolid.

Els electrowetlands desenvolupats per LEITAT (figura 5a) són construïts utilitzant grava com a material principal de la matriu filtrant i antracita granulada com a material per als elèctrodes (bioànode i càtode d’aire) de la MFC (figura 5b). S’han fet funcionar i monitorat a llarg termini, utilitzant un medi d’alimentació constituït per una barreja d’aigües residuals sintètiques i reals —‌demanda química d’oxigen (DQO) de 400 mg/L; amoni 50 mg/L— i mantenint el temps de retenció hidràulica entre quatre i vuit dies. Elèctricament, s’han fet funcionar sempre com a cel·les de combustible microbianes i a prop del punt de potència màxima. El voltatge s’ha monitorat contínuament a través d’una resistència connectada al circuit elèctric extern. Els resultats indiquen que els electrowetlands tenen la capacitat d’eliminar el 95 % de matèria orgànica i el 35 % d’amoni de les aigües residuals d’entrada. En termes d’energia, han generat una densitat de potència de 4,2 mW/m2. Tal com mostra la figura 6, l’energia generada està molt condicionada per la temperatura ambiental. El seguiment a llarg termini revela que la generació d’energia és un 40 % superior a l’estiu (20-35 °C) que a l’hivern (5-15 °C). Aquests resultats demostren que els electrowetlands tenen una bona capacitat de tractament d’aigües residuals i generen prou energia per a alimentar sensors que monitorin el rendiment del tractament de l’aigua residual i els paràmetres ambientals. Tal com s’ha comentat, tant les MFC com els electrowetlands s’han estudiat a nivell de laboratori o a escala pilot, però no a gran escala. Aquesta falta o poca quantitat de projectes d’escalat comporta que aquestes tecnologies actualment estiguin lluny de ser comercialitzades. El motiu de l’absència de la fase d’escalat és que els rendiments (bàsicament elèctrics) a nivell de laboratori no han estat prou elevats per a captar l’atenció de les empreses. A diferència de les MFC, els electrowetlands

Figura 5.  a) Prepilots d’electrowetlands a LEITAT. Fotografia dels autors. b) Esquema d’un electrowetland. A: entrada d’aigua residual, B: sortida d’aigua tractada, C: bioànode compost per antracita granular i malla d’acer inoxidable com a col·lector de corrent, D: càtode d’aire compost per antracita granular i malla d’acer inoxidable com a col·lector de corrent, E: separador compost per grava, F: plantes que ajuden a la fitodepuració, i G: sistema de recol·lecció d’energia elèctrica. Elaboració pròpia.

63


Figura 6.  Dades elèctriques del voltatge generat per les dues rèpliques de prepilots d’electrowetlands (EH1 i EH2, en blau) fetes funcionar amb una resistència elèctrica externa de 50 ohms. Elaboració pròpia.

presenten un avantatge que pot ser clau en el camí cap a la comercialització. En aquest cas, la integració dels BES en el llit filtrant té l’objectiu principal de millorar el procés de tractament de l’aigua i no tant de generar energia elèctrica. D’altra banda, l’energia generada és suficient i útil per a alimentar certs sensors ambientals, de manera que no cal cap instal·lació elèctrica externa ni l’ús de bateries, fet que pot ser de molta utilitat per a certes aplicacions de monitoratge de paràmetres ambientals en entorns remots.

Sistemes bioelectroquímics per a la dessalinització

64

Aconseguir tecnologies sostenibles de dessalinització és important per a combatre l’escassetat d’aigua potable, i encara més si tenim en compte que els oceans i els mars contenen el 97 % del total d’aigua de la Terra i que el 40 % de la població viu a menys de cent kilòmetres de la costa [36, 37]. Les diferents tecnologies de dessalinització disponibles al mercat es poden classificar en tres categories: 1) mètodes tèrmics, 2) processos de membrana i 3) tècniques de separació de càrregues. La tecnologia de dessalinització de membranes —‌concretament l’osmosi inversa (RO, reverse osmosis)— és la més implementada, ja que representa el 69 % de les plantes dessalinitzadores a escala mundial [38]. Tanmateix, aquestes tecnologies actualment requereixen un alt consum d’energia per a produir aigua potable (per exemple, el RO consumeix de 3 a 6 kWh/m3). En aquest sentit, les cel·les de dessalinització microbianes (MDC, mi­ crobial desalination cells) són BES que presenten un avantatge potencial molt elevat en termes de consum energètic, ja que una aigua residual tipus pot contenir fins a 1,8 kW h/m3 d’energia química, i aquesta energia és utilitzada per la MDC

per a impulsar el procés [39], de manera que s’aconsegueix dessalinitzar aigua amb una despesa energètica baixa. Les MDC van ser descrites per primer cop per un equip de la Universitat de Pennsilvània (Estats Units), l’any 2009 [5]. Aquests reactors utilitzen el gradient electroquímic, generat entre ànode i càtode, com a força electromotriu per a dessalar corrents salins, d’una manera similar a l’electrodiàlisi. Igual que en el cas de les MFC, durant aquesta darrera dècada s’han desenvolupat diferents configuracions de reactors [28]. La majoria de les MDC descrites es basen en un reactor de tres cambres: una d’anòdica, una altra de catòdica i una cambra mitjana que conté aigua salada (figura 7). Les cambres estan separades per membranes d’intercanvi aniònic i catiònic. Igual que en el cas de les MFC, es genera un corrent elèctric per a la degradació de matèria orgànica a l’ànode i la reducció d’oxigen al càtode. Això causa la migració dels ions de la cambra salina i la dessalinització de l’aigua. D’una manera detallada, els anions (principalment, Cl−) migren cap a la cambra anòdica, i els cations (sobretot, Na+), cap a la catòdica, a través de membranes d’intercanvi d’anions i cations, respectivament. LEITAT ha desenvolupat MDC basades en càtode d’aire, per les raons esmentades anteriorment en relació amb les MFC. A més, s’han desenvolupat i caracteritzat diferents càtodes d’aire lliures de platí, entre els quals cal destacar-ne dos. El primer està basat en nanofibres de carboni dopades amb ferro (CNF-Fe) —‌mètode desenvolupat íntegrament per LEITAT— i el segon fa servir elèctrodes de difusió de gasos basats en MnO2 (MnO2-GDE) —‌desenvolupats per l’empresa alemanya SGL. S’ha analitzat el rendiment dels càtodes d’aire en els reactors MDC, per aconseguir densitats de corrent elèctric de 4,1 mA/cm2 i 1,3 mA/cm2 per al MnO2-GDE i el CNF-Fe, res-


Figura 7.  a) Esquema de la tecnologia MFC. Reproduït de [40]. b) Imatge d’un reactor MDC desenvolupat a LEITAT. Fotografia dels autors.

pectivament. El rendiment de dessalinització de MDC amb càtodes de MnO2-GDE s’ha demostrat que és superior al de MDC basades en CNF-Fe, de manera que les taxes d’eliminació de sal assolides han estat de 4,8 g/m2/h i 3,6 g/m2/h, respectivament. En el mateix estudi, també s’ha avaluat per primer cop (segons el nostre coneixement) l’alliberament de nanomaterials durant l’ús de càtodes d’aire en l’operació MDC. Els re­ sultats han mostrat una certa alliberació de catalitzador de càtode, però a una concentració inferior al llindar que representa una amenaça per al medi ambient i la població humana. En un altre estudi, realitzat conjuntament amb l’institut d’investigació IMDEA, es va comparar l’eficiència de dessalinització de dos tipus diferents de MDC: una de basada en càtode líquid de ferro-ferricianur i l’altra, en càtode d’aire. Ambdues estratègies van assolir una eficiència de dessalinització superior al 90 % i es van aconseguir velocitats de dessalinització en el rang de 0,14-0,17 L/m2/h per a aigües salobres i marines amb MDC de càtode de difusió d’aire; i 0,7-1,5 L/m2/h amb MDC de càtode líquid ferro-ferricianur, respectivament. Les dues tecnologies també van mostrar capacitat de degradar la matèria orgànica present a l’anòlit i la generació de corrent elèctric (figura 8). Els resultats confirmen que la MDC de càtode líquid basat en el parell redox ferro-ferricianur té un rendiment més alt que la MDC de càtode d’aire. Així mateix, mostren que la MDC de càtode d’aire pot ser adequada per a la dessalinització d’aigües salobres, malgrat que els índexs de dessalinització nominals són gairebé un ordre de magnitud inferiors als obtinguts mitjançant un mediador redox de

ferro-ferricianur. Tot i el rendiment més alt de la MDC de càtode líquid, aquesta no és viable actualment. Per tal que ho sigui, s’han d’explorar rutes de regeneració del catòlit per a reduir els costos de funcionament i permetre una dessalinització eficient i de baix cost. Com s’ha comentat, l’avantatge competitiu de la dessalinització amb MDC respecte a altres tecnologies que ja són comercials és que la tecnologia MDC té el potencial de dessalinitzar amb una despesa energètica més petita. Tot i això, actualment la tecnologia no es troba a escala industrial perquè falta millorar-ne el rendiment i, també, superar les limitacions que apareixen quan s’incrementen el volum dels reactors i l’àrea dels elèctrodes. En aquest sentit, actualment la MDC més gran reportada a la literatura científica és de 100 L, i mostra una capacitat parcial de dessalinitzar l’aigua de mar amb una velocitat de dessalinització de 0,077 L/m2/h [41]. En el projecte europeu MIDES, en el qual LEITAT ha participat, s’ha escalat la tecnologia MDC construint i fent funcionar un reactor a escala preindustrial (350 L de cambra salina), fet que constitueix un pas important en l’escalat d’aquesta tecnologia [42].

Sistemes bioelectroquímics per a la producció de biocombustibles Com s’ha comentat anteriorment, el càtode dels BES es pot fer servir per a reduir el CO2 a biocombustibles, líquids i/o gasosos. En aquest cas, es parla de cel·les d’electrosíntesi micro-

65


Figura 8.  Resultats experimentals de la MDC de càtode de difusió d’aire (negre) i de la MDC de càtode líquid. A i B: densitat de corrent en funció del temps per a la dessalinització d’aigües salobres i de mar; C i D: conductivitat en funció del temps per a la dessalinització d’aigües salobres i de mar. Reproduït de [40].

bianes (MES, microbial electrosynthesis cells), i en aquests processos sempre cal invertir energia elèctrica addicional per a aconseguir reaccions que termodinàmicament no serien espontànies. Quan es tracta de productes líquids (dissolts en medi aquós), s’ha demostrat principalment la conversió de CO2 a acetat / àcid acètic (E′o = −0,28 V vs. SHE) [43]. En alguns estudis, també, s’ha reportat la producció mitjançant MES de productes orgànics amb 4-6 àtoms de carboni (C4C6; per exemple, butanol a −0,30 V, hexanol a −0,39 V vs. SHE) [44]. En el cas de compostos gasosos, els vectors energètics principals produïbles al càtode d’un sistema MES són hidrogen i metà [45]. El metà pot ser produït directament de la reducció de CO2 (E′o = −0,24 V vs. SHE) o, més sovint, a través de la producció intermèdia de H2 (E′o = −0,41 V vs. SHE) i el seu ús posterior per a la reducció del CO2. En els dos últims casos, els microorganismes electroactius implicats en el procés de reducció s’anomenen electrometanogènics.

66

Els mateixos vectors energètics, líquids i gasosos, es poden produir a través de la fermentació de substrats orgànics (sucres, midó), de residus vegetals (procedents de l’agricultura o de la cadena alimentària), d’aigües residuals i de fangs resultants del seu tractament [46]. Quan els BES s’integren a dins d’un procés de fermentació, es parla d’electrofermentació (EF). L’EF és definida com una fermentació espontània, influenciada electroquímicament o, en altres paraules, un procés elec-

troquímic per a controlar una fermentació, mitjançant el corrent elèctric [47]. Aquesta tecnologia és l’última que s’ha afegit al «vocabulari» dels BES, tot i que la capacitat de mo­ dificar electroquímicament el metabolisme de microorganismes fermentatius s’havia demostrat per primera vegada el 1988 [48]. A LEITAT, hem treballat principalment en processos d’EF, per a la producció de biocombustibles gasosos (biometà) i líquids (butanol). Primerament, la investigació s’ha centrat a integrar un reactor de digestió anaeròbica (AD, anaerobic digestion) amb un sistema de cel·les d’electròlisi microbianes (MEC, microbial electrolysis cells) —‌AD-MEC— per a tractar els fangs de depuració produïts en una EDAR, a través de la inserció directa dels elèctrodes (ànode i càtode) a dins del cos del reactor (projecte «Smart Green Gas»). A l’ànode, els àcids grassos volàtils, produïts durant la primera etapa de la fermentació anaeròbica dels fangs, són oxidats per un biofilm electroactiu. Al càtode, el CO2 generat en el procés d’oxidació es redueix a metà, directament o indirectament, gràcies als electrons provinents de l’ànode i al voltatge elèctric aplicat a la MEC (1,8 V). D’aquesta manera, s’aconsegueix augmentar la capacitat de tractament de la planta, reduint el temps de residència dels fangs, amb una millora de la qualitat del biogàs resultant (amb més contingut de metà). A l’EDAR de Lleida, en col·laboració amb les empreses Dimasa i FCC Aqualia, es va fer


zematge químic d’aquests excedents elèctrics en forma de biocombustible (tecnologia power-to-gas) [51]. D’aquesta manera es podrien connectar les xarxes elèctrica, de gas natural i d’aigües residuals. Al final del projecte, un prototip bioelectroquímic format per un apilament (stack) de 45 cel·les (32 L de volum) s’ha fet funcionar durant més d’un any, alimentat amb un voltatge de 0,7 V i s’ha aconseguit una producció de biometà de 147 L-CH4/m3/dia, amb una eficiència d’emmagatzematge energètic del 42-47 % [13] (figura 11).

Figura 9.  Planta pilot AD-MEC instal·lada a l’EDAR de Lleida. Fotografia dels autors.

funcionar una planta pilot de 200 L durant més de sis mesos per a demostrar la viabilitat de la tecnologia en un entorn real (figura 9). El biogàs produït per la planta AD-MEC té un contingut de metà del 68 % (v/v), comparat amb el 60 % que es troba en el biogàs del digestor anaeròbic de referència, alimentat amb el mateix fang [49]. En el projecte «Power2Biomethane», la mateixa tecnologia AD-MEC s’ha utilitzat per al tractament d’aigües residuals urbanes, amb la generació/recuperació de biometà (biogàs amb contingut de CH4 > 95 % v/v), integrant un sistema de contactors de membrana amb el qual es pot saturar l’aigua amb CO2, provinent de la purificació (upgrading) del biogàs (figura 10).

Figura 10.  Integració de contactors de membrana i sistema AD-MEC. Reproduït de [50].

En el projecte, es preveia fer servir excedents d’energia elèctrica produïda mitjançant fonts renovables (solar o eòlica) per a alimentar la planta AD-MEC, i així aconseguir un emmagat-

Figura 11.  Prototip AD-MEC integrat amb contactors de membrana, per a la recuperació de biometà d’aigua residual saturada amb CO2. Fotografia dels autors.

En el marc dels sistemes power-to-gas, s’ha detectat que el límit principal de la tecnologia AD-MEC és la baixa densitat de corrent/potència elèctrica consumida (<1 A/m2, <10 W/m3) [52]. Això comporta la necessitat de disposar de volums/ superfícies molt elevats per a l’emmagatzematge d’energia. El projecte ROBINSON, en el qual LEITAT participa, té l’objectiu, entre d’altres, de millorar la densitat energètica de la tecnologia AD-BES. La implementació d’elèctrodes metàl·lics en 3D, dissenyats i fabricats mitjançant impressió additiva, per tal d’augmentar-ne l’àrea superficial (> 50 m2/m3), és un dels aspectes més nous del projecte, que en pocs casos s’ha reportat a la literatura de BES. Si passem al cas dels biocombustibles líquids, LEITAT participa actualment en el projecte BIOCON-CO2. L’objectiu principal del projecte és la captura i conversió del CO2 a productes químics de valor afegit, a través de diferents processos biològics, entre els quals hi ha l’EF. Fins avui s’ha aconseguit una prova de concepte d’EF de glucosa a alcohols, utilitzant un cultiu pur de Clostridium beijerinckii. En el projecte, s’ha demostrat que la selecció d’un potencial catòdic adequat augmenta la velocitat de producció dels alcohols i la selectivitat, en termes de producció de butanol, amb la conseqüència d’un procés mes ràpid i energèticament més eficient.

67


Sistemes bioelectroquímics per a l’eliminació de contaminants i nutrients Un altre camp d’aplicació dels BES és l’eliminació de contaminants en sòls i aigües subterrànies, l’anomenada bioelectroremediació. Hi ha diferents contaminants que no es poden eliminar per falta de donadors o acceptors d’electrons en el medi ambient. En aquests casos, els BES representen una plataforma tecnològica amb un gran potencial d’aplicació, ja que permeten modular el flux d’electrons en poblacions microbianes d’entorns contaminats, sense que calgui afegir-hi substrats ni forçar l’aeració, cosa que redueix el cost del procés de tractament [53]. Existeixen un gran nombre d’arquitectures de reactors BES per a dur a terme l’electrobioremediació. D’una banda, hi ha reactors amb arquitectures complexes que utilitzen diverses cambres i membranes, generalment aplicades al tractament d’aigües subterrànies tant in situ com ex situ [54]. De l’altra, trobem reactors amb unes arquitectures que solen ser menys complexes —‌majoritàriament de dues cambres [55] o, fins i tot, un simple element conductor [56] que connecta zones amb diferent potencial redox— i habitualment s’usen per al tractament de sòls in situ. En el cas de les aigües subterrànies, la majoria d’aplicacions de les tecnologies BES s’han centrat en l’eliminació de nitrats i, també, de diferents famílies d’hidrocarburs i metalls, tal com han reportat recentment Cecconet i coautors. Pel que fa al tractament de sòls, els BES s’han estudiat sobretot per a

68

l’eliminació d’hidrocarburs —‌i, en menor grau, pesticides—, mitjançant processos d’oxidació associats a l’ànode [55]. Abans de l’adopció d’aquestes tecnologies per part d’empreses del mercat de la bioremediació, cal resoldre diversos reptes tecnològics a fi de millorar l’efectivitat del procés, com ara abaixar el cost dels reactors, fomentar la interacció elèctrode-­ microorganisme i millorar la biodisponibilitat dels contaminants per als microorganismes en els elèctrodes. En aquest sentit, LEITAT participa en el projecte europeu «Greener», en què desenvolupa tecnologies per a eliminar diferents famílies de contaminants en matrius distintes. En aquest context, s’estan estudiant a nivell de laboratori tecnologies per a: a) recuperar metalls d’aigües en forma de productes d’alt valor afegit, b) eliminar hidrocarburs mitjançant l’electroestimulació d’una població microbiana d’un aqüífer contaminat, c) eliminar antibiòtics mitjançant biofilms electroactius en cel·les MFC i electrowetlands, d) eliminar pesticides per reducció amb un consum energètic baix, e) millorar l’arquitectura de les cel·les de combustible microbianes de sediments (SMFC) per a l’eliminació d’hidrocarburs i f ) incorporar barres de material conductor com una alternativa a l’aeració en ecocel·les per a tractar sòls contaminats per metalls i hidrocarburs. En el decurs del projecte, una part de les tecnologies faran el salt del laboratori a l’escala pilot per tal de ser validades en condicions reals. Finalment, els BES també poden tenir un paper rellevant per a evitar l’alliberació de nutrients al medi ambient i/o recuperar-­ los d’efluents amb una càrrega elevada (com ara purins, aigües negres i similars). Igual que en els casos anteriors, diver-

Figura 12.  a) Esquema d’un reactor BES per a la recuperació de nitrogen. Elaboració pròpia. b) Plataforma experimental per a l’estudi de la recuperació de nitrogen en BES. Fotografia dels autors.


sos autors han reportat diferents arquitectures per a recuperar nitrogen i fòsfor (principalment, d’efluents líquids) i, fins i tot, s’han produït fertilitzants. En aquesta temàtica, LEITAT —‌en el context del projecte europeu «Run4life»— ha treballat en el desenvolupament d’un sistema per a produir un fertilitzant líquid basat en una MEC a partir de la recuperació de nitrogen d’aigües residuals (figura 12). Aquest sistema permet recuperar 9,6 g N-NH4+/m2/dia (en relació amb els metres quadrats de membrana d’intercanvi catiònic del reactor MEC) del contingut inicial com a fertilitzant líquid a un consum energètic de tan sols 1,6 kW h per kg de nitrogen recuperat, un resultat inferior als reportats prèviament a la literatura. Aquesta tecnologia tan prometedora es continuarà desenvolupant en el marc del nou projecte europeu «Vivaldi», en què s’espera poder escalar la tecnologia i validar-ne el funcionament amb efluents reals a escala pilot.

Conclusions Els sistemes bioelectroquímics (BES) són una tecnologia en desenvolupament amb un gran potencial per a contribuir a millorar la sostenibilitat de diferents aplicacions, com el tractament d’aigües residuals. Els BES poden ser emprats per a generar electricitat (baixa densitat de potència elèctrica); per a dessalinitzar aigua; per a eliminar i/o recuperar nutrients, metalls o altres productes de valor afegit d’aigües residuals, o per a descarbonitzar l’economia mitjançant la producció de H2 o la conversió de CO2 a combustibles i compostos químics essencials. No obstant això, aquests sistemes encara no es troben a una escala industrialment rellevant, ja que tenen diferents limitacions i reptes tecnològics que cal superar. Primerament, se n’ha d’augmentar el rendiment. Per tal d’aconseguir-ho, el paràmetre clau és incrementar la densitat de corrent elèctric d’aquests sistemes mitjançant elèctrodes i membranes optimitzats, millorar la seva inter­ acció amb els microorganismes i optimitzar el disseny dels reactors. Una altra limitació actual són els elevats costos d’inversió i d’operació de la tecnologia, a causa de l’economia d’escala, l’ús de components cars i el baix rendiment dels sistemes. En aquest sentit, calen projectes en l’àmbit industrial per a estudiar l’efecte de l’escalat en el rendiment i el cost. Tot i això, actualment els sistemes bioelectroquímics tenen uns avantatges competitius importants respecte d’altres tecnologies —‌com una eficiència energètica més gran— i poden ser una tecnologia clau per a transformar les

actuals depuradores en electrobiorefineries, ja que permeten la valorització de les aigües residuals, amb la integració de diferents xarxes energètiques com són la del gas i la de l’electricitat.

Referències i altres fonts [1]  Potter, M. C. «Electrical effects accompanying the decomposition of organic compounds». Proc. Royal Soc. B: Biol. Sci. (1911), p. 260-276. [2]  Logan, B. E.; Hamelers, B.; Rozendal, R.; Schröder, U.; Keller, J.; Freguia, S.; Aelterman, P.; Verstraete, W.; Rabaey, K. «Microbial fuel cells: Methodology and technology». Environ. Sci. Technol. [en línia], 40 (17) (2006), p. 5181-5192. <https://doi. org/10.1021/es0605016>. [3]  Santoro, C.; Arbizzani, C.; Erable, B.; Ieropoulos, I. «Microbial fuel cells: From fundamentals to applications. A review». J. Power Sources [en línia], 356 (2017), p. 225-244. <https://doi. org/10.1016/j.jpowsour.2017.03.109>. [4]  Wang, H.; Ren, Z. J. «A comprehensive review of microbial electrochemical systems as a platform technology». Biotechnol. Adv. [en línia], 31 (8) (2013), p. 1796-1807. <https://doi. org/10.1016/j.biotechadv.2013.10.001>. [5]  Cao, X.; Huang, X.; Liang, P.; Xiao, K.; Zhou, Y.; Zhang, X.; Logan, B. E. «A new method for water desalination using microbial desalination cells». Environ. Sci. Technol. [en línia], 43 (18) (2009), p. 7148-7152. <https://doi.org/10.1021/ es901950j>. [6]  Kelly, P. T.; He, Z. «Nutrients removal and recovery in bioelectrochemical systems: A review». Bioresour. Technol. [en línia], 153 (2014), p. 351-360. <https://doi.org/10.1016/ j.biortech.2013.12.046>. [7]  Wang, Z.; He, Z. «Frontier review on metal removal in bioelectrochemical systems: Mechanisms, performance, and perspectives». J. Hazard. Mater. Lett. [en línia], 1 (setembre 2020), p. 100002. <https://doi.org/10.1016/j.hazl.2020. 100002>. [8]  Dominguez-Benetton, X.; Varia, J. C.; Pozo, G.; Modin, O.; Ter Heijne, A.; Fransaer, J.; Rabaey, K. «Metal recovery by microbial electro-metallurgy». Prog. Mater. Sci. [en línia], 94 (2018), p. 435-461. <https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2018.01.007>. [9]  Palma, E.; Espinoza Tofalos, A.; Daghio, M.; Franzetti, A.; Tsiota, P.; Cruz Viggi, C.; Papini, M. P.; Aulenta, F. «Bioelectrochemical treatment of groundwater containing BTEX in a continuous-­ flow system: Substrate interactions, microbial community

69


70

analysis, and impact of sulfate as a co-contaminant». N. Biotechnol. [en línia], 53 (juny 2019), p. 41-48. <https://doi.org/ 10.1016/j.nbt.2019.06.004>. [10]  Cecconet, D.; Molognoni, D.; Callegari, A.; Capodaglio, A. G. «Biological combination processes for efficient removal of pharmaceutically active compounds from wastewater: A review and future perspectives». J. Environ. Chem. Eng. [en línia], 5 (4) (2017), p. 3590-3603. <https://doi.org/10.1016/j.jece. 2017.07.020>. [11]  Baeza, J. A.; Martínez-Miró, À.; Guerrero, J.; Ruiz, Y.; Guisasola, A. «Bioelectrochemical hydrogen production from urban wastewater on a pilot scale». J. Power Sources [en línia], 356 (2017), p. 500-509. <https://doi.org/10.1016/j.jpowsour. 2017.02.087>. [12]  Badia-Fabregat, M.; Rago, L.; Baeza, J. A.; Guisasola, A. «Hydrogen production from crude glycerol in an alkaline mi­ crobial electrolysis cell». Int. J. Hydrog. Energy [en línia], 44 (32) (2019), p. 17204-17213. <https://doi.org/10.1016/ j.ijhydene.2019.03.193>. [13]  Ceballos-Escalera, A.; Molognoni, D.; Bosch-Jimenez, P.; Shahparasti, M.; Bouchakour, S.; Luna, A.; Guisasola, A.; Borràs, E.; Della Pirriera, M. «Bioelectrochemical systems for energy stor­ age: A scaled-up power-to-gas approach». Appl. Energy [en línia], 260 (octubre 2020), p. 114138. <https://doi.org/ 10.1016/j.apenergy.2019.114138>. [14]  Geppert, F.; Liu, D.; Eerten-Jansen, M. van; Weidner, E.; Buisman, C.; Ter Heijne, A. «Bioelectrochemical power-to-gas: State of the art and future perspectives». Trends Biotechnol. [en línia], 34 (11) (2016), p. 879-894. <https://doi.org/ 10.1016/j.tibtech.2016.08.010>. [15]  He, A. Y.; Yin, C. Y.; Xu, H.; Kong, X. P.; Xue, J. W.; Zhu, J.; Jiang, M.; Wu, H. «Enhanced butanol production in a microbial electrolysis cell by Clostridium Beijerinckii IB4». Bioproc. Biosyst. Eng. [en línia], 39 (2) (2016), p. 245-254. <https://doi. org/10.1007/s00449-015-1508-2>. [16]  Dessì, P.; Rovira-Alsina, L.; Sánchez, C.; Dinesh, G. K.; Tong, W.; Chatterjee, P.; Tedesco, M.; Farràs, P.; Hamelers, H. M. V.; Puig, S. «Microbial electrosynthesis: Towards sustainable biorefin­ eries for production of green chemicals from CO2 emissions». Biotechnol. Adv. [en línia], 46 (desembre 2021). <https://doi. org/10.1016/j.biotechadv.2020.107675>. [17]  Harnisch, F.; Urban, C. «Elektrobioraffinerien: Synergien zwischen elektrochemischen und mikrobiologischen Stoff­ umwandlungen nutzbar machen». Angew. Chem. [en línia], 130 (32) (2018), p. 10168-10175. <https://doi.org/10.1002/ ange.201711727>.

[18]  Rabaey, K.; Rozendal, R. A. «Microbial electrosynthesis— Revisiting the electrical route for microbial production». Nat. Rev. Microbiol. [en línia], 8 (10) (2010), p. 706-716. <https:// doi.org/10.1038/nrmicro2422>. [19]  Rabaey, K.; Verstraete, W. «Microbial fuel cells: Novel biotechnology for energy generation». Trends Biotechnol. [en línia], 23 (6) (2005), p. 291-298. <https://doi.org/10.1016/ j.tibtech.2005.04.008>. [20]  Wei, J.; Liang, P.; Huang, X. «Recent progress in electrodes for microbial fuel cells». Bioresour. Technol. [en línia], 102 (20) (2011), p. 9335-9344. <https://doi.org/10.1016/j.biortech. 2011.07.019>. [21]  Kodali, M.; Santoro, C.; Serov, A.; Kabir, S.; Artyushkova, K.; Matanovic, I.; Atanassov, P. «Air breathing cathodes for mi­ crobial fuel cell using Mn-, Fe-, Co- and Ni-containing platinum group metal-free catalysts». Electrochim. Acta [en línia], 231 (2017), p. 115-124. <https://doi.org/10.1016/ j.electacta.2017.02.033>. [22]  Bosch-Jimenez, P.; Martinez-Crespiera, S.; Amantia, D.; Pirriera, M. Della; Forns, I.; Shechter, R.; Borràs, E. «Non-precious metal doped carbon nanofiber air-cathode for microbial fuel cells application: Oxygen reduction reaction characterization and long-term validation». Electrochim. Acta [en línia], 228 (2017), p. 380-388. <https://doi.org/10.1016/j.electacta. 2016.12.175>. [23]  Aryal, N.; Ammam, F.; Patil, S. A.; Pant, D. «An overview of cathode materials for microbial electrosynthesis of chemicals from carbon dioxide». Green Chem. [en línia], 19 (24) (2017), p. 5748-5760. <https://doi.org/10.1039/ c7gc01801k>. [24]  Moon, J. M.; Kondaveeti, S.; Min, B. «Evaluation of low-cost separators for increased power generation in single chamber microbial fuel cells with membrane electrode assembly». Fuel Cells [en línia], 15 (1) (2015), p. 230-238. <https://doi.org/ 10.1002/fuce.201400036>. [25]  Dizge, N.; Unal, B. O.; Arikan, E. B.; Karagunduz, A.; Keskinler, B. «Recent progress and developments in membrane materials for microbial electrochemistry technologies: A review». Bioresour. Technol. Reports [en línia], 8 (2019), p. 100308. <https:// doi.org/10.1016/j.biteb.2019.100308>. [26]  Salinas Rodríguez, S. G.; Arevalo Vilches, J.; Ortiz, J. M.; Borràs-Camps, E.; Monsalvo-Garcia, V. M.; Kennedy, M. D.; Esteve-­ Núñez, A. (ed.). Microbial desalination cells for low energy drinking water. Londres: IWA Publishing, 2021. [27]  Leong, J. X.; Daud, W. R. W.; Ghasemi, M.; Liew, K. Ben; Ismail, M. «Ion exchange membranes as separators in microbial fuel


cells for bioenergy conversion: A comprehensive review». Renew. Sustain. Energy Rev. [en línia], 28 (2013), p. 575-587. <https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.08.052>. [28]  Tawalbeh, M.; Al-Othman, A.; Singh, K.; Douba, I.; Kabakebji, D.; Alkasrawi, M. «Microbial desalination cells for water purification and power generation: A critical review». Energy [en línia], 209 (2020), p. 118493. <https://doi.org/10.1016/ j.energy.2020.118493>. [29]  Guerrero Moreno, N.; Cisneros Molina, M.; Gervasio, D.; Pérez Robles, J. F. «Approaches to polymer electrolyte mem­ brane fuel cells (PEMFCs) and their cost». Renew. Sustain. Energy Rev. [en línia], 52 (2015), p. 897-906. <https://doi.org/ 10.1016/j.rser.2015.07.157>. [30]  Logan, B. E.; Rabaey, K. «Conversion of wastes into bioelectricity and chemicals by using microbial electrochemical technologies». Science [en línia], 337 (6095) (2012), p. 686690. <https://doi.org/10.1126/science.1217412>. [31]  Janicek, A.; Fan, Y.; Liu, H. «Design of microbial fuel cells for practical application: A review and analysis of scale-up studies». Biofuels [en línia], 5 (1) (2014), p. 79-92. <https:// doi.org/10.4155/bfs.13.69>. [32]  Gajda, I.; Greenman, J.; Ieropoulos, I. A. «Recent advancements in real-world microbial fuel cell applications». Curr. Opin. Electrochem. [en línia], 11 (2018), p. 78-83. <https://doi. org/10.1016/j.coelec.2018.09.006>. [33]  Aquacycl [en línia]. <https://www.aquacycl.com/>. [34]  Gupta, S.; Srivastava, P.; Patil, S. A.; Yadav, A. K. «A comprehensive review on emerging constructed wetland coupled microbial fuel cell technology: Potential applications and chal­ lenges». Bioresour. Technol. [en línia], 320 (2021), p. 124376. <https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.124376>. [35]  Corbella, C.; Guivernau, M.; Viñas, M.; Puigagut, J. «Operational, design and microbial aspects related to power production with microbial fuel cells implemented in constructed wetlands». Water Res. [en línia], 84 (2015), p. 232-242. <https://doi.org/10.1016/j.watres.2015.06.005>. [36]  United Nations. «Factsheet: People and oceans» [en línia]. Conferència oceànica (Nova York, 5-9 juny 2017). <https:// www.un.org/sustainabledevelopment/wp-content/uploads/ 2017/05/Ocean-fact-sheet-package.pdf>. [37]  Jones, E.; Qadir, M.; Vliet, M. T. H. van; Smakhtin, V.; Kang, S. «The state of desalination and brine production: A global outlook». Sci. Total Environ. [en línia], 657 (2019), p. 1343-1356. <https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.12.076>. [38]  Humplik, T.; Laboratories, S. N.; Lee, J.; Hern, S. O.; Hassan, S. F. «Nanostructured materials for water desalination». Nano-

technol. [en línia], 22 (29) (2011). <https://doi.org/10.1088/ 0957-4484/22/29/292001>. [39]  Kokabian, B.; Gude, V. G. «Microbial desalination systems for energy and resource recovery». A: Microbial electrochemical technology [en línia], 2019, p. 999-1020. <https://doi. org/10.1016/B978-0-444-64052-9.00041-8>. [40]  Ramírez-moreno, M.; Rodenas, P.; Aliaguilla, M.; BoschJimenez, P. «Comparative performance of microbial desalination cells using air diffusion and liquid cathode reactions: Study of the salt removal and desalination efficiency». Front. Energy Res. [en línia], 7 (desembre 2019), p. 1-12. <https://doi. org/10.3389/fenrg.2019.00135>. [41]  Zhang, F.; He, Z. «Scaling up microbial desalination cell system with a post-aerobic process for simultaneous waste­ water treatment and seawater desalination». Desalination [en línia], 360 (2015), p. 28-34. <https://doi.org/10.1016/j.desal. 2015.01.009>. [42] <http://midesh2020.eu/wp-content/uploads/2020/09/ Report-Public-1-Oct-website.pdf>. [43]  Batlle-Vilanova, P.; Puig, S.; Gonzalez-Olmos, R.; Balaguer, M. D.; Colprim, J. «Continuous acetate production through microbial electrosynthesis from CO2 with microbial mixed culture». J. Chem. Technol. Biotechnol. [en línia], 91 (4) (2016), p. 921-927. <https://doi.org/10.1002/jctb.4657>. [44]  Ganigué, R.; Puig, S.; Batlle-Vilanova, P.; Balaguer, M. D.; Colprim, J. «Microbial electrosynthesis of butyrate from carbon dioxide». Chem. Commun. [en línia], 51 (15) (2015), p. 32353238. <https://doi.org/10.1039/c4cc10121a>. [45]  Ran, Z.; Gefu, Z.; Kumar, J. A.; Chaoxiang, L.; Xu, H.; Lin, L. «Hydrogen and methane production in a bio-electrochemical system assisted anaerobic baffled reactor». Int. J. Hydrog. Energy [en línia], 39 (25) (2014), p. 13498-13504. <https:// doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.02.086>. [46]  Callegari, A.; Bolognesi, S.; Cecconet, D.; Capodaglio, A. G. «Production technologies, current role, and future prospects of biofuels feedstocks: A state-of-the-art review». Crit. Rev. Environ. Sci. Technol. [en línia], 50 (4) (2020), p. 384-436. <https://doi.org/10.1080/10643389.2019.1629801>. [47]  Schievano, A.; Pepé Sciarria, T.; Vanbroekhoven, K.; De Wever, H.; Puig, S.; Andersen, S. J.; Rabaey, K.; Pant, D. «Electro-fermentation—Merging electrochemistry with fermentation in industrial applications». Trends Biotechnol. [en línia], 34 (11) (2016), p. 866-878. <https://doi.org/10.1016/j.tibtech. 2016.04.007>. [48]  Kim, T. S.; Kim, B. H. «Electron flow shift in Clostridium acetobutylicum fermentation by electrochemically introduced

71


reducing equivalent». Biotechnol. Lett. [en línia], 10 (2) (1988), p. 123-128. <https://doi.org/10.1007/BF01024638>. [49]  Romero-Guiza, M.; Aliaguilla, M.; Molognoni, D.; BoschJimenez, P.; Andrés, F.; García, S.; Tomàs, X.; Icaran, P.; Monsalvo, V.; Borràs, E. «Bioelectrochemical assisted anaerobic digestion of sewage sludge piloting under real operating conditions». Pòster presentat a l’Anaerobic Digestion Conference (Delft, Països Baixos, 2019). [50]  Rodríguez-Alegre, R.; Ceballos-Escalera, A.; Molognoni, D.; Bosch-Jimenez, P.; Galí, D.; Licon, E.; Pirriera, M. Della; Garcia-­ Montaño, J.; Borràs, E. «Integration of membrane contactors and bioelectrochemical systems for CO2 conversion to CH4». Energies [en línia], 12 (3) (2019), p. 1-19. <https://doi.org/ 10.3390/en12030361>. [51]  Muñoz-Aguilar, R. S.; Molognoni, D.; Bosch-Jimenez, P.; Borràs, E.; Della Pirriera, M.; Luna, Á. «Design, operation, model­ ing and grid integration of power-to-gas bioelectrochemical systems». Energies [en línia], 11 (8) (2018), p. 1-15. <https:// doi.org/10.3390/en11081947>. [52]  Molognoni, D.; Bosch-Jimenez, P.; Rodríguez-Alegre, R.; Marí-­ Espinosa, A.; Licon, E.; Gallego, J.; Lladó, S.; Borràs, E.; Della Pirriera, M. «How operational parameters affect electrome­

72

thanogenesis in a bioelectrochemical power-to-gas prototype». Front. Energy Res. [en línia] (juliol 2020), p. 1-12. <https://doi.org/10.3389/fenrg.2020.00174>. [53]  Pous, N.; Balaguer, M. D.; Colprim, J.; Puig, S. «Opportunities for groundwater microbial electro-remediation». Microb. Biotechnol. [en línia], 11 (1) (2018), p. 119-135. <https://doi. org/10.1111/1751-7915.12866>. [54]  Cecconet, D.; Sabba, F.; Devecseri, M.; Callegari, A.; Capodaglio, A. G. «In situ groundwater remediation with bioelectro­ chemical systems: A critical review and future perspectives». Environ. Int. [en línia], 137 (febrer 2020), p. 105550. <https:// doi.org/10.1016/j.envint.2020.105550>. [55]  Tucci, M.; Cruz, C.; Esteve, A.; Schievano, A.; Rabaey, K.; Aulenta, F. «Empowering electroactive microorganisms for soil remediation: Challenges in the bioelectrochemical removal of petroleum hydrocarbons». Chem. Eng. J. [en línia], 419 (febrer 2021). <https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130008>. [56]  Hoareau, M.; Erable, B.; Bergel, A. «Microbial electro­ chemical snorkels (MESs): A budding technology for multiple applications. A mini review». Electrochem. Commun. [en línia], 104 (maig 2019), p. 106473. <https://doi.org/10.1016/ j.elecom.2019.05.022>.


P. Bosch-Jiménez

S. Aguado

D. Molognoni

C. Corbella

P. López

M. Aliaguilla

E. Borràs

Pau Bosch-Jiménez és llicenciat en química per la Universitat de Girona. Després va cursar el Màster en Ciències i Tecnologia Química de la Universitat Autònoma de Barcelona. Durant aquell període, la seva carrera investigadora es va centrar en l’estudi de processos químics per a la síntesi de nanopartícules de diòxid de titani i la preparació de pastes i tintes a partir d’aquestes per a la construcció de cèl·lules solars sensibles al colorant. Actualment desenvolupa la seva tasca professional al Centre Tecnològic LEITAT, on és investigador sènior a l’Àrea d’Energia i Enginyeria; a més, participa en les activitats d’execució, gestió i explotació de diversos projectes nacionals i internacionals, finançats amb contractes públics o industrials competitius. S’ha especialitzat principalment en tres camps —‌energia fotovoltaica, sistemes bioelectroquímics, i tecnologies de producció i ús d’hidrogen— i ha centrat la investigació en el desenvolupament de materials, l’optimització de reactors i funcionament, la caracterització electroquímica i les activitats d’escalat. Daniele Molognoni és llicenciat en enginyeria ambiental i doctorat en enginyeria civil i arquitectura per la Universitat de Pavia (Itàlia). Durant dos anys va treballar com a investigador postdoctoral a la Universitat de Pavia i, posteriorment, va dur a terme diverses pràctiques de recerca (Universitat de Girona i Universitat de Gal·les del Sud, Regne Unit), centrant-se en el desenvolupament dels sistemes bioelectroquímics (BES). Actualment desenvolupa la seva carrera professional al Centre Tecnològic LEITAT, on és investigador a l’Àrea d’Energia i Enginyeria. També participa en les activitats d’execució i explotació de diversos projectes nacionals i internacionals centrats en els BES. Autor o coautor de més de vint articles sobre el tema, el seu índex h actual és 14 (Scopus, maig 2021). Clara Corbella és llicenciada en enginyeria civil i doctora en enginyeria ambiental per la Universitat Politècnica de Catalunya (2017). El seu doctorat es va centrar en el vincle entre el tractament d’aigües residuals i la generació d’energia mitjançant la integració de cel·les de combustible microbianes als aiguamolls construïts. En aquest context, ha fet diverses contribucions en conferències nacionals i internacionals i ha publicat deu articles en revistes científiques indexades. Actualment treballa com a investigadora al Centre Tecnològic LEITAT, específicament, a l’Àrea d’Economia Circular, on lidera la divisió de Solucions Basades en la Natura. En aquest context, participa en diferents projectes relacionats amb la innovació de solucions verdes, les tecnologies de tractament d’aigües residuals i els sistemes bioelectroquímics. 73


Pau López és tècnic superior del laboratori d’anàlisi i control de qualitat per al centre d’estudis IES de Terrassa (2012). Posteriorment també es va graduar com a tècnic superior de química ambiental pel centre d’estudis IES La Romànica (2015). Durant la seva vida laboral ha treballat com a tècnic de laboratori a l’Institut de Recerca i Tecnologia Agroalimentàries (IRTA, 2014-2017) i en el sector de la indústria química a ERCROS-Cerdanyola (2017-2018). Actualment, desenvolupa la seva tasca professional al Centre Tecnològic LEITAT, on és tècnic a l’Àrea d’Energia i Enginyeria. Participa en activitats d’execució de projectes nacionals i internacionals en la línia d’investigació de sistemes bioelectroquímics (BES), centrant-se en l’anàlisi i la gestió de mostres mitjançant tècniques químiques, físiques i electroquímiques, i en el control i el manteniment dels diferents BES. Sergio Aguado té el grau en ciències ambientals impartit per la Universitat Miguel Hernández d’Elx (UMH, 2017), a més del Màster Oficial en Enginyeria Ambiental (2019) ofert per la Universitat Politècnica de València (UPV) i la Universitat de València (UV). Durant el grau, va dur a terme quatre mesos de pràctiques internes com a investigador al Departament de Biologia Aplicada a la UMH. Posteriorment, i durant l’execució del màster, va treballar a l’empresa DAM quatre mesos com a adjunt del cap de planta en una estació depuradora d’aigües residuals (EDAR), duent-ne a terme l’explotació. Després d’acabar els seus estudis, va començar a treballar com a investigador júnior al Departament d’R+D del Centre Tecnològic LEITAT, dins l’Àrea d’Economia Circular. Fins avui, la seva activitat s’ha centrat principalment en l’execució de projectes nacionals i internacionals relacionats amb sistemes basats en solucions naturals, tractament d’aigües residuals i sistemes bioelectroquímics. Martí Aliaguilla és llicenciat en ciències ambientals per la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB, 2015). La seva experiència com a investigador s’ha desenvolupat en el marc de projectes europeus i nacionals. Actualment està cursant el Màster d’Enginyeria Biològica Ambiental a la UAB. Ha treballat com a investigador júnior a la unitat d’AOP i processos electroquímics de l’Àrea de Biotecnologies Ambientals del Centre Tecnològic LEITAT, on s’ha especialitzat en el desenvolupament de processos electroquímics per al tractament d’aigües residuals, tant a nivell de laboratori com de planta pilot (20132017). Des del gener de 2017 treballa com a investigador al Grup de Sistemes Bioelectroquímics (BES) de l’Àrea d’Economia Circular del mateix Centre Tecnològic LEITAT desenvolupant diferents tecnologies electroquímiques microbianes (MET) per a la recuperació de nutrients, la dessalinització d’aigua, el tractament d’aigües subterrànies contaminades i la producció de biogàs. Ha participat en congressos internacionals en format de conferència i pòster en temàtiques relacionades amb les tecnologies electroquímiques i bioelectroquímiques esmentades. Eduard Borràs és llicenciat en ciències ambientals (2005) i doctor en ciències i tecnologia ambientals (2011) per la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB). La seva experiència investigadora fins ara s’ha centrat en l’ús de microorganismes per a la degradació de contaminants orgànics persistents en diferents matrius, la valorització de residus i la producció de bioenergia mitjançant digestió anaeròbica i cel·les de combustible microbianes. Va ser investigador visitant al Laboratori de Biotecnologia Ambiental de l’Institut de Microbiologia de l’Acadèmia de Ciències de la República Txeca a Praga. Ha treballat en projectes d’R+D internacionals i nacionals. També ha participat en diferents congressos i ha publicat més de quinze articles en diferents revistes científiques en diversos camps, incloent-hi el desenvolupament de processos biològics, la bioremediació i la degradació dels contaminants. Ha estat professor associat al Departament d’Enginyeria Química, Biològica i Ambiental de la UAB. Des del juny de 2012 treballa com a investigador sènior a l’Àrea d’Economia Circular del Centre Tecnològic LEITAT.

74


Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 20 (2021), p. 75-85 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853  DOI: 10.2436/20.2003.01.127 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Estudi de l’espai de disseny en una reacció química mitjançant el disseny d’experiments Design space study of a chemical reaction with design of experiments Pere Talavera Esteve Química. Departament d’R+D

Resum: La qualitat pel disseny (QbD, quality by design) aplicada al desenvolupament de processos químics és una metodologia cada cop més emprada en l’àmbit de la indústria farmacèutica. El present article en descriu l’aplicació en l’optimització d’una reacció química, per mitjà del disseny d’experiments, com una eina indispensable per poder assolir els objectius de l’estudi. A més d’optimitzar el procés, cal assegurar-ne la robustesa i, alhora, aportar el coneixement necessari per definir i justificar l’espai de treball o espai de disseny. Aquesta informació és de gran ajuda a l’hora de presentar documentació reguladora. Paraules clau: Disseny d’experiments (DoE), qualitat pel disseny (QbD), atributs crítics de qualitat (CQA), rangs acceptables del procés (PAR), espai de disseny, avaluació del risc.

Abstract: Quality by design applied to the development of chemical processes is an approach that is increasingly used in the pharmaceutical industry. This article describes its application in the optimization of a chemical reaction using design of experiments as a fundamental tool to achieve the goals of the study. In addition to optimizing the process, the robustness of the reaction must be ensured and all the knowledge of the process must be gathered to define and justify the design space. This information is assessed to support a regulatory submission. Keywords: Design of experiments (DoE), quality by design (QbD), critical quality attributes (CQAs), process acceptable ranges (PAR), design space, risk assessment.

Introducció

A

Esteve Química, des de fa uns quants anys, ens vam plantejar com podíem des­ envolupar processos de síntesi química per a la fabricació a escala industrial d’una manera ràpida i a la vegada eficient. El terme eficiència es refereix a una reducció significativa del temps i dels recursos emprats en recerca i desenvolupament (R+D). Al mateix temps, els estudis han d’assegurar l’èxit durant l’escalat del procés al terreny comercial i —‌no menys important— també han de servir de suport a l’hora de presentar la documentació a les diferents autoritats sanitàries d’àmbit internacional. En els darrers anys, els criteris d’acceptació d’un procés en el camp regulador han anat evolucionant per tal d’atorgar més pes al coneixement del procés mateix, en comptes de basar-se únicament en les dades obtingudes durant la validació del procés a escala industrial [1]. Aquesta nova aproximació és coneguda amb el concepte qualitat pel disseny (QbD, quality by design). Hi ha diferents guies que fan referència a aquesta Correspondència: Pere Talavera Esteve Química. Departament d’R+D C. de Caracas, 17. 08030 Barcelona Tel.: +34 932 747 490 A/e: ptalavera@eqesteve.com

matèria, la primera de les quals va ser la guia ICH Q8 [2], elaborada els anys 2004 i 2005, principalment enfocada al desenvolupament farmacèutic. Posteriorment, l’any 2012 aparegué la guia ICH Q11 [3], centrada en l’àmbit de la fabricació de principis actius (API, active pharmaceutical ingredients). A més dels conceptes plantejats inicialment en la guia ICH Q8, aquesta segona guia també recull conceptes d’avaluació de risc i de control de qualitat, prèviament exposats en les guies ICH Q9 i Q10, respectivament [4, 5]. Per tant, es pot dir que la guia ICH Q11 vol donar resposta d’una manera holística al desenvolupament i la fabricació d’un API. Quant al procés, l’eix central de la guia es basa a identificar clarament els atributs crítics relacionats amb la qualitat del producte final (CQA, critical quality attributes), proporcionar una estratègia de control per a cadascun d’aquests atributs i, finalment, definir uns rangs per als diversos paràmetres del procés a fi d’assegurar que sigui robust i que proporcioni la qualitat correcta de l’API (en anglès, process acceptable ranges, PAR). El fet que les noves directrius posin el focus en el coneixement del procés —‌dit d’una altra manera, en la informació extreta dels estudis realitzats durant el seu desenvolupament— pot semblar, a priori, una paradoxa davant l’objectiu de reduir els recursos de recerca i desenvolupament per projecte estudiat. Segons el nostre criteri, aquesta contradicció només s’ha pogut superar fent ús de la tecnologia existent, la qual cada

75


cop està més refinada per tal de poder plantejar i avaluar més eficientment els estudis d’R+D. Entre les eines usades per a aquest estudi, cal destacar un multireactor que va permetre dur a terme alhora i de manera independent deu reaccions, i un UPLC-MS amb el qual es van poder avaluar les mostres en temps d’anàlisi molt curts combinant detecció ultraviolada i de masses. Una altra eina d’importància cabdal en aquest estudi va ser el programari de disseny d’experiments (DoE, design of experiments) [6-10]. El DoE, a diferència del que seria l’aproximació tradicional d’explorar cadascuna de les variables separadament, d’una en una, consisteix en una metodologia estadística que permet explorar l’espai de treball d’una manera òptima avaluant tantes dimensions com variables estudiades hi hagi. En uns casos determinats és possible arribar a avaluar les interaccions que hi poden haver entre les variables estudiades. D’altra banda, també s’avaluen de manera simultània i sense cap cost experimental addicional les respostes proposades en l’estudi (com ara puresa, contingut d’impureses i rendiment). A l’hora d’aplicar el DoE, se’n pot plantejar l’ús de dos tipus principals: els dissenys factorials no fraccionats i els dissenys factorials fraccionats. Pel que fa als primers, exploren totes les combinacions possibles entre paràmetres amb una resolució màxima (és a dir, es pot arribar a determinar la contribució de cada factor i de totes les possibles interaccions entre factors per a cada resposta plantejada) i són especialment útils a l’hora d’optimitzar processos. Quant als dissenys factorials fraccionats, economitzen el nombre d’experiments que cal dur a terme a canvi de sacrificar una part de la informació que s’obté de l’estudi (és a dir, es comença per sacrificar les interaccions entre tres o més factors i, a mesura que es redueix la ràtio entre el nombre d’experiments realitzats i els factors estudiats, es va perdent informació pel que fa a les interaccions entre dos factors, o, fins i tot, es poden arribar a confondre els efectes entre paràmetres). El concepte que defineix el nivell de la informació que es pot extreure d’un DoE s’anomena resolució. Els dissenys factorials fraccionats són útils per a l’escombratge de variables, mentre que els de resolució més baixa ho són per a estudis de robustesa en què, per exemple, es poden arribar a verificar set factors en només vuit experiments.

76

En aquest article es descriu el desenvolupament del procés que segueix Esteve Química aplicant la QbD i utilitzant l’eina DoE per tal d’estudiar la preparació d’un intermediari clau —‌el 4050— dins la ruta de síntesi d’un principi actiu determinat (vegeu la figura 1).

Figura 1.  Síntesi de l’intermediari 4050. Elaboració pròpia.

Objectius La preparació de l’intermediari 4050 es basa en la cloració de la 4-quinazolona 4049 per tal d’obtenir la 4-cloroquinazolina corresponent, el 4050. Tot i que la reacció química necessària per dur a terme la cloració és força coneguda [11, 12], aquesta transformació, a causa de la naturalesa del substrat 4049, pot arribar a desencadenar diferents productes secundaris que —‌tal com s’explicarà més endavant— són difícils de purificar mitjançant procediments estàndard a escala productiva. Els objectius principals d’aquest estudi se centren a trobar unes condicions de reacció que permetin assolir una conversió elevada del material de partida en un temps de reacció mínim i que a la vegada siguin prou robustes per mantenir un grau d’impureses acceptable per al procés. Dit d’una altra manera, es tracta de definir un espai de disseny segons l’aproximació QbD. És important remarcar que el procés assolit ha de ser robust des del punt de vista de la qualitat, és a dir, cal evitar que petites variacions en les condicions de reacció —‌incloent-hi el temps de reacció— puguin ocasionar increments en la proporció d’impureses no acceptables per al procés.

Selecció de les condicions de reacció Les condicions de reacció, a l’hora de dur a terme la cloració de quinazolones, es poden agrupar en funció del reactiu sintó de clor. Els reactius més populars són el clorur de fosforil (POCl3), el clorur de tionil (SOCl2), el clorur d’oxalil (COCl)2 i, fins i tot, el tetraclorur de carboni (CCl4). L’escombratge experimental dut a terme als nostres laboratoris es va focalitzar en els dos primers reactius, atesa la seva millor aplicabilitat a escala industrial des dels punts de vista econòmic i mediambiental.


Inicialment es van explorar les condicions de reacció emprant clorur de fosforil, una amina terciària com a base —‌trietilamina (TEA) o bé diisopropiletilamina (DIPEA)— i diferents dissolvents —‌des de toluè fins a clorur de metilè (DCM), passant per tota una sèrie de dissolvents polars apròtics. Les millors condicions s’obtingueren emprant DIPEA i toluè. Per tal d’assolir una bona conversió en un temps de reacció raonable, fou necessari escalfar la reacció fins al voltant dels 60 °C. A temperatures més baixes s’observava un estancament de la reacció, i a temperatures més altes s’incrementava el contingut en impureses. Es va dur a terme un estudi similar emprant clorur de tionil i dimetilformamida (DMF) per tal d’obtenir la corresponent salt d’imini, clorur de N,N-dimetilimini, més coneguda com a reactiu de Vilsmeier [13]. La major reactivitat d’aquest reactiu permeté reduir la temperatura de reacció i, en conseqüència, millorar el perfil d’impureses del cru de reacció obtingut. Les millors condicions s’assoliren emprant clorur de metilè com a dissolvent a la temperatura de reflux, 40 °C. Com que no s’observaren diferències entre l’ús de TEA o DIPEA, s’escollí TEA a causa del seu cost econòmic més baix. A la taula 1 es recullen les principals condicions assajades i els millors resultats obtinguts. Taula 1.  Resum de l’escombratge de reaccions. Elaboració pròpia.

Base

Dissolvent

Temperatura (°C)

4049 residual* (%)

Contingut total d’impureses** (%)

POCl3

DIPEA

DCM

reflux

0,6

11,9

POCl3

DIPEA

toluè

60

1,7

3,8

POCl3

DIPEA

toluè

100

0,6

5,5

SOCl2/DMF

TEA

DCM

20

22,6

1,4

SOCl2/DMF

TEA

DCM

reflux

1,7

0,8

Agent clorant

ció d’impureses i, també, com es modulava aquest efecte segons les condicions experimentals. Abans del plantejament d’un DoE d’optimització, es van dur a terme proves preliminars complementàries a les d’escombratge —‌exposades a l’apartat anterior— per tal d’intentar reduir el nombre de variables per estudiar (d’aquesta manera es redueix considerablement la qualitat d’experiments que cal aplicar al disseny i, en cas d’emprar dissenys factorials fraccionats, s’evita disminuir la resolució del disseny). Realitzant aquestes proves es va poder fixar la temperatura de reacció a reflux del clorur de metilè. Clarament, es va veure que l’aportació de calor a la reacció era imprescindible per assolir una conversió correcta en un temps raonable. També es va observar que el volum de dissolvent no semblava rellevant per al curs de la reacció dins un rang força ampli, que podia variar entre els 6 mL/g i els 10 mL/g de 4049. D’altra banda, aquestes proves van indicar que quantitats estequiomètriques, o bé superiors, de DMF milloraven significativament la conversió de la reacció, tot i que, segons el mecanisme de reacció, es podria considerar que la DMF actua de manera catalítica. Una possible explicació podria estar relacionada amb temes de solubilitat del material de partida. Per contra, es va veure que quantitats baixes, no estequiomètriques, de base (TEA) afavorien la puresa de la mescla de reacció. Aquest efecte no era gaire clar, però sens dubte es va considerar la necessitat d’estudiar-lo amb més atenció. Finalment, es va observar la importància d’emprar quantitats elevades de clorur de tionil (2 o més equivalents molars), per tal d’aconseguir conversions de reacció raonables. Amb aquesta informació, es va plantejar un DoE per tal d’optimitzar els tres factors següents:

* Temps de reacció fins al no avenç (6-8 h); ** contingut total d’impureses: 100 − 4049 (%) − 4050 (%).

— DMF: entre 1 i 2 equivalents molars, — TEA: entre 0,2 i 1 equivalents molars, — SOCl2: entre 2 i 3 equivalents molars.

A partir d’aquest moment es va decidir optimitzar les condicions de reacció en què s’emprava clorur de tionil.

Com a respostes del disseny, es van plantejar:

Optimització de les condicions de reacció En aquesta fase del procés es va fixar com a objectiu estudiar els factors que afectaven la conversió de la reacció i la forma-

— contingut de 4049 al cap de 2 hores, — contingut total d’impureses al cap de 2 hores, — contingut de 4049 al cap de 6 hores, — contingut total d’impureses al cap de 6 hores, entenent com a contingut total d’impureses la fórmula 100 − 4049 (%) − 4050 (%).

77


Taula 2.  Disseny d’experiments d’optimització lineal. Elaboració pròpia. Experiment

DMF (equivalents molars)

TEA (equivalents molars)

SOCl2 (equivalents molars)

4049 residual al cap de 2 h (%)

Contingut total d’impureses al cap de 2 h (%)

4049 residual al cap de 6 h (%)

Contingut total d’impureses al cap de 6 h (%)

15,4

1,53

1

1

0,2

2

33,57

1,11

2

2

0,2

2

18,56

1,07

8,93

0,90

3

1

1

2

43,28

1,00

0,86

0,95

4

2

1

2

6,73

1,00

0,83

1,09

5

1

0,2

3

18,86

1,15

6,28

1,13

6

2

0,2

3

8,26

1,03

4,58

1,07

7

1

1

3

16,40

0,91

0,51

1,09

8

2

1

3

2,09

1,17

0,79

1,21

9

1,5

0,6

2,5

3,47

0,99

1,39

1,08

10

1,5

0,6

2,5

3,24

1,08

3,39

1,20

Amb aquestes dades es va plantejar un disseny lineal a dos nivells, factorial no fraccionat; és a dir, un disseny amb la màxima resolució per tal de poder avaluar no només l’efecte dels factors, sinó també les possibles interaccions entre ells. A la taula 2 es mostren els experiments realitzats en aquest primer disseny i els resultats obtinguts. Un cop realitzades les proves, es van analitzar els resultats amb l’ajuda del programari de DoE. A la figura 2 es mostra la distribució de les respostes davant de les rèpliques (experiments 9 i 10).

78

Figura 2.  Distribució de la resposta segons el model d’optimització lineal. Elaboració pròpia.

Cal destacar que, en general, es va obtenir un bon ajust de les dades experimentals segons el model de regressió lineal. Per a totes les respostes s’aconseguiren valors acceptables de R 2, és a dir, entre 0,5 i 1. Per contra, la capacitat de predicció del model va ser moderada, ja que va estimar la quantitat de 4049 residual al cap de 2 h i 6 h. Tanmateix, tal com s’observa a la figura 2, els resultats dels punts centrals pel que fa a la quantitat residual de 4049 es troben en un dels extrems de la distribució de resposta. Aquest fet indica que hi pot haver curvatura en la resposta. Quant a la capacitat del model per estimar el contingut d’impureses, ha estat nul·la tant al cap de 2 h com de 6 h. En aquest cas, no s’observa una falta d’ajust


Taula 3.  Resum ANOVA. Elaboració pròpia.

R2

Valor p *

4049 al cap de 2 h

0,656

0,024

Contingut total d’impureses al cap de 2 h

0,572

0,141

4049 al cap de 6 h

0,839

0,009

Contingut total d’impureses al cap de 6 h

0,551

0,161

Resposta

* Quan p > 0,05, el model no és significatiu.

Figura 4.  Espai de disseny per a tres factors compost centrat a les cares. Elaboració pròpia.

de les dades segons l’anàlisi de la variància (ANOVA), fet que porta a concloure que, dins el rang de treball estudiat per a cada factor, no hi ha cap contribució rellevant que afecti el contingut d’impureses (vegeu la taula 3).

més els punts centrals en vermell) i els experiments nous (situats al centre de cadascuna de les sis cares del cub, representats de color verd). Aquests sis nous experiments es mostren a la taula 4.

A la figura 3 es mostra el resum de la contribució dels factors per a cada resposta. El sentit i la intensitat de l’efecte es representen a les barres de color verd, i la desviació estàndard s’indica a les línies en forma de T (quan aquestes línies travessen l’eix de les x, l’efecte no és significatiu).

Un cop obtingudes les dades del model quadràtic, es van ajuntar amb les dades del model lineal (taula 2) i es van tornar a avaluar estadísticament amb l’ajuda del programari de DoE. L’anàlisi va mostrar que el nou model millorava significativament l’ajust de les dades, especialment en les respostes en què es monitora el percentatge residual de 4049, tant al cap de 2 h com de 6 h, en què la R 2 es troba en tots dos casos entre 0,8 i 1. La millora del model gràcies als factors quadràtics es posà de manifest sobretot per la contribució del terme quadràtic del factor quantitat de TEA a un temps de reacció de 2 h (vegeu el resum de la contribució dels factors a la figura 5). D’altra banda, es va ratificar l’absència de factors rellevants sobre el percentatge d’impureses tant al cap de 2 h com de 6 h.

Per tal de millorar l’ajust de les dades (sobretot, per al temps de conversió al cap de 2 h), es va plantejar ampliar el model actual a un model quadràtic, a tres nivells. És a dir, es va proposar augmentar el nombre d’experiments que calia realitzar dins de la mateixa àrea d’investigació. El nou model escollit va ser un model compost centrat a les cares. A la figura 4 es recullen els experiments realitzats prèviament (punts negres,

Figura 3.  Contribució dels factors segons el model d’optimització lineal. Programari Modde v12.

79


Taula 4.  Disseny d’experiments d’optimització, punts addicionals (representats de color verd a la figura 4). Elaboració pròpia. Experiment

DMF (equivalents molars)

TEA (equivalents molars)

SOCl2 (equivalents molars)

4049 residual al cap de 2 h (%)

Contingut total d’impureses al cap de 2 h (%)

4049 residual al cap de 6 h (%)

Contingut total d’impureses al cap de 6 h (%)

11

1

0,6

2,5

7,11

1,07

1,12

0,94

12

2

0,6

2,5

2,4

1,06

1,81

1,05

13

1,5

0,2

2,5

15,03

0,89

5,92

0,95

14

1,5

1

2,5

9,01

0,98

0,7

1

15

1,5

0,6

2

7,15

0,86

2,33

1,01

16

1,5

0,6

3

2

0,92

1,27

1,09

Gràcies a la bona capacitat de predicció aconseguida quant al seguiment de 4049 —‌material de partida residual— es van extreure els mapes de resposta dins l’espai estudiat (vegeu les figures 6 i 7). A partir de l’espai de resposta obtingut, es va concloure que el valor òptim dels factors estudiats, en equivalents molars, era 1,5 de DMF, 0,8 de TEA i 2,5 de clorur de tionil. Amb aquestes condicions, es podria assolir la conversió desitjada en un màxim de dues hores.

Atributs crítics de qualitat En paral·lel amb el disseny d’experiments d’optimització exposat a l’apartat anterior, es van elucidar les principals impureses observades durant la reacció de cloració. Dins l’estudi d’estratègia de control que s’ha mencionat a la introducció, es va posar un èmfasi especial en aquelles impureses que no s’eliminaven fàcilment a les etapes posteriors

80

Figura 5.  Contribució dels factors segons el model d’optimització quadràtic. Programari Modde v12.

Figura 6.  Mapa de resposta segons la quantitat de 4049 al cap de 2 h a partir del model d’optimització quadràtic. Programari Modde v12.

Figura 7.  Mapa de resposta segons la quantitat de 4049 al cap de 6 h a partir del model d’optimització quadràtic. Programari Modde v12.


Figura 8.  Impureses principals de 4050. Elaboració pròpia.

del procés. Aquestes impureses primerament es van poder identificar mitjançant cromatografia líquida amb detecció de masses (LC-MS) i, posteriorment, es van preparar de manera sintètica —‌l’estructura es va poder confirmar per mitjà de ressonància magnètica nuclear (RMN) (vegeu la figura 8). El seguiment d’aquestes impureses al llarg de la síntesi fins al producte final va posar de manifest la importància de mantenir-les a nivells baixos, atès que la seva purga durant la síntesi era força petita. A causa d’això, aquestes impureses es van etiquetar com a atributs crítics de la qualitat. En concret, per al procés optimitzat en què s’empra clorur de tionil, es va veure que el contingut en impureses 4615 i 4616 era negligible i únicament calia estudiar i controlar el contingut a la 4522.

Definició dels rangs de treball acceptables Arribats a aquest punt de l’estudi, l’objectiu ja no era tant extreure informació del procés, sinó més aviat provar-ne la robustesa, no solament per als factors més rellevants del procés —‌els factors optimitzats prèviament—, sinó també per als altres que requereixen control en el procés industrial. Per tant, es va plantejar un nou disseny d’experiments en què es van afegir els factors de volum de dissolvent —‌DCM— i temperatura de reacció: — DMF: entre 1 i 2 equivalents molars, — TEA: entre 0,6 i 1 equivalents molars, — SOCl2: entre 2 i 3 equivalents molars, — DCM: entre 6 i 10 mL/g de 4049, — temperatura de reacció: 35 °C i reflux (40 °C).

Com a respostes del disseny, es va afegir el percentatge de la impuresa 4522, identificada prèviament com a atribut crític de la qualitat. Totes les respostes es van monitorar a 2 h, com a temps de reacció estimat, i també a 5 h, per verificar l’estabilitat/robustesa del procés al llarg del temps: — contingut de 4049 al cap de 2 hores, — contingut total d’impureses al cap de 2 hores, — contingut de 4522 al cap de 2 hores, — contingut de 4049 al cap de 5 hores, — contingut total d’impureses al cap de 5 hores, — contingut de 4522 al cap de 5 hores, entenent com a contingut total d’impureses la fórmula 100 − 4049 (%) − 4050 (%). Per tal d’assolir aquest objectiu, es va plantejar un disseny factorial fraccionat lineal i de resolució mínima, on s’avaluen els cinc factors en només vuit experiments, més les rèpliques (vegeu la taula 5). Abans de l’anàlisi estadística de les dades, revisant els resultats que es mostren a la taula 5 es pot destacar que en les condicions centrals de l’experiment s’assoleix la conversió desitjada al cap de 2 h, i l’increment de les impureses —‌incloent-hi la 4522— de les 2 h a les 5 h és mínim. Aquests dos fets eren els objectius principals de l’estudi. Seguidament, amb l’ajuda del programari de DoE, es van avaluar les respostes i s’obtingué un model raonable per a totes les respostes en què la R 2 es trobava entre 0,5 i 1. Pel que fa a la contribució dels diferents factors en cada resposta, l’anàlisi mostrà els resultats següents: — Quantitat de 4049 residual: dins el rang estudiat, únicament s’observà una contribució rellevant de la quantitat de TEA i, en menor grau, de la temperatura de reacció. En aquest cas, es va veure que la quantitat de TEA és el factor que pena-

81


Taula 5.  Disseny d’experiments PAR. Elaboració pròpia.

Experiment

DMF (equivalents molars)

TEA (equivalents molars)

SOCl2 (equivalents molars)

DCM (mL/g 4049)

Temperatura de reacció (°C)

4049 residual al cap de 2 h (%)

Contingut total d’impureses al cap de 2 h (%)

4522 al cap de 2 h (%)

4049 residual al cap de 5 h (%)

4522 al cap de 5 h (%)

Contingut total d’impureses al cap de 5 h (%)

1

1

0,6

2

10

40

6,66

1,56

0,63

1,88

1,56

0,78

2

2

0,6

2

6

35

4,55

1,35

0,45

4,09

1,5

0,59

3

1

1

2

6

40

2,74

1,63

0,52

1,05

1,83

0,6

4

2

1

2

10

35

3,63

1,16

0,26

1,24

1,2

0,29

5

1

0,6

3

10

35

4,19

1,11

0,36

3,51

1,36

0,4

6

2

0,6

3

6

40

2,99

1,32

0,33

2,88

1,4

0,44

7

1

1

3

6

35

9,4

1,26

0,28

0,93

1,38

0,31

8

2

1

3

10

40

1,04

1,15

0,19

1,01

1,12

0,2

9

1,5

0,8

2,5

8

37,5

1,45

1,26

0,31

1,18

1,29

0,34

10

1,5

0,8

2,5

8

37,5

1,28

1,26

0,32

1,13

1,22

0,33

litzava l’avenç de la reacció d’una manera més important (vegeu la figura 9). — Contingut total d’impureses: de la mateixa manera que en els dissenys d’optimització anteriors, no es va arribar a apreciar una interacció significativa entre les respostes i els factors dins del rang estudiat. Atès que totes les respostes presentaven un grau d’impureses acceptable per al procés, els rangs dels factors estudiats es podrien considerar com a vàlids tant a 2 h com a 5 h de temps de reacció. — Quantitat de 4522: per a aquesta resposta sí que s’observà una contribució rellevant dels factors TEA i clorur de tionil, tant a 2 h com a 5 h. En tots dos casos, com menys quantitat de reactius més s’afavoria la formació de la impuresa 4522, fet lògic des del punt de vista químic ja que el 4522 és una

82

impuresa de tipus dímer a conseqüència de la reacció entre el material de partida 4049 i el producte 4050. El mapa de resposta per a aquesta impuresa al cap de 5 h es mostra a la figura 10. A partir de la informació disponible, tant de l’evolució de 4049 com de 4522 en les etapes posteriors del procés, es va fixar com a límit acceptable d’aquests compostos en la mescla de reacció de formació de 4050 un 3,5 % de 4049 i un 0,7 % de 4522. Seguidament, a partir d’aquestes dades, el programari de DoE va permetre realitzar una avaluació de risc per tal de determinar l’àrea acceptable de treball o espai de disseny. Dins d’aquesta àrea, la probabilitat d’errada (és a dir, de no compliment dels límits prèviament establerts quant al percentatge residual de 4049 i percentatge de 4522) és inferior a l’1 %. Vegeu a la figura 11 una mostra d’aquest espai de

Figura 9.  Mapa de resposta de la impuresa 4049 al cap de 5 h segons un estudi PAR. Programari Modde v12.


Figura 10.  Mapa de resposta de 4522 al cap de 5 h segons un estudi PAR. Programari Modde v12.

Figura 11.  Espai de disseny al cap de 5 h segons un estudi PAR. Programari Modde v12.

disseny segons la variació de TEA i clorur de tionil, en què les fletxes negres indiquen el punt òptim de treball. Aquest espai de disseny és en realitat un hipercub de forma irregular que varia segons les condicions de reacció. La figura 12 presenta un resum d’aquest hipercub per als tres paràmetres que van mostrar rellevància en les respostes. La resta de paràmetres es poden considerar acceptables en tot el rang estudiat. Un cop finalitzada l’anàlisi de dades, es conclogué l’estudi fixant el rang acceptable de treball per a cada paràmetre ava-

Figura 12.  Espai de disseny o hipercub obtingut segons l’estudi PAR. Programari Modde v12.

luat. En el cas de la temperatura de reacció, s’escull treballar a reflux (valor superior del rang), per tal de facilitar-ne el control a la planta de producció: — DMF: 1,5 equivalents molars (PAR: 1-2), — TEA: 0,83 equivalents molars (PAR: 0,77-1), — SOCl2: 2,3 equivalents molars (PAR: 2,1-3), — DCM: 8 mL/g de 4049 (PAR: 6-10), — temperatura de reacció: set point reflux (PAR: 35 °C-reflux).

83


Conclusions Aquest article descriu una metodologia per treballar una reacció química des de l’aproximació anomenada qualitat pel disseny (QbD, quality by design). Aquesta proposta es fonamenta en tres punts principals, mitjançant l’ús del disseny d’experiments (DoE, design of experiments): En primer lloc, l’optimització ràpida del procés. El fet d’utilitzar el DoE permet dur a terme alhora un conjunt de proves, de manera que es pot treballar en paral·lel amb l’ús d’un multireactor. Això no seria possible seguint l’aproximació tradicional, en què s’intenta optimitzar una variable a la vegada i en què a nivell de laboratori es treballa prova a prova (és a dir, només es pot planificar la prova següent un cop s’han extret les conclusions de la prova anterior). D’altra banda, també és important destacar que es van assolir unes condicions de procés finals que s’allunyen del que a priori hi ha establert a la literatura a l’hora d’emprar el reactiu de Vilsmeier (és a dir, clorur de tionil i base en quantitat estequiomètrica o superior i DMF en quantitats catalítiques). Les noves condicions només es van poder aconseguir a partir de l’ús del DoE, en què es van tenir en compte les possibles interaccions entre les diferents variables que intervenen en la reacció. En segon lloc, l’avaluació de la robustesa del procés. La metodologia inclou una anàlisi de risc que combina les diferents variables que afecten als atributs crítics de la qualitat, fet que acaba definint uns rangs acceptables de treball (PAR). La combinació d’aquests rangs defineix l’espai de treball (design space). Les variacions en les condicions del procés, dins d’aquest espai, queden justificades sense que calgui dur a terme cap investigació addicional. I, finalment, la presentació d’un dossier (drug master file) a les autoritats sanitàries pertinents. El fet que la metodologia estigui alineada amb les guies actuals facilita la interpretació de les dades per part dels reguladors i, en conseqüència, accelera l’acceptació del dossier.

Agraïments 84

L’autor vol mostrar el seu agraïment a tots els companys que han participat en aquest projecte, molt especialment, a Jesús Escáriz, per la tasca experimental; a la doctora Elisabet

Bermudo, pel suport analític, i al doctor Jordi Redondo, per l’ajuda en l’elucidació d’impureses. Aquest treball no hauria estat possible sense el suport i l’excelsa revisió del doctor Martí Bartra i el doctor Ramon Berenguer.

Notes, referències i altres fonts [1]  Vegeu, per exemple, Department of Health and Human Services. US Food and Drug Administration. Center for Drug Evaluation and Research (CDER). Pharmaceutical cGMPs for the 21st century —A risk based approach: Final report. Silver Spring, Maryland, Washington: US Food and Drug Administration, 2004. [2]  European Medicines Agency. ICH guideline Q8(R2) on pharmaceutical development, 2009. [3]  European Medicines Agency. ICH guideline Q11 on development and manufacture of drug substances (chemical entities and biotechnological/ biological entities), 2012. [4]  European Medicines Agency. ICH guideline Q9 on quality risk management, 2015. [5]  European Medicines Agency. ICH guideline Q10 on pharmaceutical quality system, 2015. [6]  Kettaneh-Wold, N. «Use of experimental design in the pharmaceutical industry». Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, 9, 8 (1991), p. 605-610. [7]  Box, G. E. P.; Hunter, W. G.; Hunter, J. S. Statistics for experimenters: An introduction to design, data analysis, and model building. Nova York: Wiley, 1978. [8]  Box, G. E. P.; Draper, N. R. Empirical model-building and response surfaces. Nova York: Wiley, 1987. [9]  Weissman, S. A.; Anderson, N. G. «Design of experiments (DoE) and process optimization. A review of recent publications». Organic Process Research and Development, 19 (2015), p. 1605-1633. [10]  Per a l’elaboració d’aquest treball s’ha emprat el programari comercial Modde v12 de Sartorius. [11]  Arnott, E. A.; Chan, L. C.; Cox, B. G.; Meyrick, B.; Phillips, A. «POCl3 chlorination of 4-quinazolones». The Journal of Organic Chemistry, 76, 6 (2011), p. 1653-1661. [12]  Zhang, G.; Fu, X.; Peng, X.; Li, X.; Chen, J. «Synthesis of a new series of 4-quinazolinyl piperazine aryl ureas». Journal of Chemical Research (2013), p. 730-732. [13]  Giles, P. R.; Marson, C. M. «Dimethylchloromethyleneammonium chloride». Encyclopedia of Reagents for Organic Syn­ thesis, 2001. <https://doi.org/10.1002/047084289X.rd319m>.


P. Talavera

Pere Talavera és llicenciat en química i màster en química orgànica per la Universitat de Barcelona (UB) des de l’any 1999. Seguidament va gaudir d’una beca Universitat Empresa, UB-Laboratorios FYSE, i després va treballar per AstraZeneca Pharmaceuticals al Regne Unit, on assolí la posició de químic sènior. Des de l’any 2004 fins avui col·labora amb Esteve Química, a Barcelona, on actualment és responsable de suport a projectes.

85


Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 20 (2021), p. 86-100 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853  DOI: 10.2436/20.2003.01.128 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Recent developments in nickel-catalyzed cross-coupling reactions via C–O functionalization Nous avenços en reaccions d’acoblament creuat catalitzades per níquel mitjançant la funcionalització d’enllaços C–O Carlota Odena,1, 2, * Laura Talavera1, 2, * i Ruben Martin1, 3 1 Institut Català d’Investigació Química (ICIQ) 2 Universitat Rovira i Virgili. Departament de Química Analítica i Química Orgànica 3 Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA) * These authors contributed equally to this work.

Abstract: The use of phenol and carboxylic acid derivatives as electrophiles in nickel-catalyzed cross-coupling reactions has undergone exponential growth in the last two decades, becoming a powerful synthetic tool for forging C–C and C–heteroatom bonds. This review summarizes the most recent developments in the utilization of non-particularly activated C−O electrophiles such as carbamates, pivalates, methyl ethers and aryl methyl esters. Keywords: Cross-coupling reactions, nickel catalysis, C−O bond cleavage.

Resum: L’ús de derivats del fenol i d’àcids carboxílics com a electròfils en reaccions d’acoblament creuat catalitzades per níquel ha experimentat un creixement exponencial en les últimes dues dècades, i s’ha convertit en una eina sintètica important per a forjar enllaços C–C i C–heteroàtom. Aquest treball recopila els desenvolupaments més recents en la utilització d’electròfils C–O particularment no activats, com els carbamats, els pivalats, els metil èters i els aril metil èsters. Paraules clau: Reaccions d’acoblament creuat, catàlisi mitjançant níquel, trencament d’enllaços C−O.

Introduction

M

etal-catalyzed cross-coupling reactions are one of the cornerstones of modern organic chemistry for rapidly and reliably building up molecular complexity by forging new C−C and C−heteroatom bonds. As judged by the wealth of data in literature since the seminal work of Kumada, Tamao and Corriu [1], this area of expertise has revolutionized the way chemists assemble complex molecules, reaching remarkable levels of sophistication that would, a priori, have otherwise been difficult to achieve. Indeed, the impact of these protocols was recognized with the 2010 Nobel Prize in Chemistry to Heck, Negishi and Suzuki for their contributions to Pd-catalyzed cross-coupling reactions [2]. While organic halides have traditionally been the electrophiles of choice in the cross-coupling arena, their toxicity and the inevitable halide waste generated in these processes prompted

86

Contact address: Ruben Martin Institut Català d’Investigació Química (ICIQ) Av. dels Països Catalans, 16. 43007 Tarragona (Spain) Tel: +34 977 920 248. Fax: +34 977920224 E-mail: rmartinromo@iciq.es

chemists to find more environmentally-friendly and costeffective alternatives. Among these, C−O electrophiles have gained considerable momentum as organic halide surrogates in cross-coupling reactions due to the prevalence of alcohols in nature, pharmaceuticals, agrochemicals and material science. The first disclosure on the utilization of C−O electrophiles in cross-coupling reactions can be traced back to the seminal work of Wenkert in 1979, demonstrating that simple aryl or vinyl methyl ethers can be employed as counterparts in Ni-­ catalyzed Kumada-Tamao-Corriu reactions [3]. While such technology tacitly showed the potential applicability that not only C−O electrophiles or nickel catalysts might have in synthetic organic endeavors, it is worth noting that Wenkert’s discovery was disclosed simultaneously with Suzuki and Miyaura’s work on the Pd-catalyzed cross-coupling of aryl boron reagents with aryl/vinyl halides [4]. The popularity of the latter and the establishment of Pd as the catalyst of choice in the cross-coupling arena were probably the reasons why Wenkert’s findings were overlooked and why the utilization of simple aryl ethers as C−O electrophiles remained dormant for nearly 25 years. Among all phenol derivatives, aryl sulfonates are known to possess the lowest activation barrier for C−O bond-cleavage, even comparable to the functionalization of C−halide bonds when utilizing aryl halide counterparts [5]. However, the


atom-economy of the reaction, and the generation of stochiometric amounts of sulfur-containing byproducts prompted the discovery of new C−O counterparts with improved flex­i­ bil­i­ty and modularity. These factors culminated in the de­vel­ op­ment of a series of metal-catalyzed cross-coupling reactions of less-activated and more atom-economical alternatives such as aryl carbamates, aryl esters and aryl meth­yl ethers. Unlike their sulfonate counterparts, it is worth noting that these C−O alternatives offer the possibility of using these building blocks as temporary directing groups, thus allowing the establishment of orthogonal cross-coupling techniques with improved flexibility when building up molecular complexity from simple precursors. In 1992, Snieckus reported the first Ni-catalyzed cross-coupling of aryl carbamates with Grignard reagents [6]. Subsequently, Danwardt revisited Wenkert’s work on the activation of aryl ethers and extended the scope to anisole derivatives [7]. Following up the interest for C−O electrophiles, Garg and Shi reported independently in 2008 the utilization of aryl pivalates as coupling partners in Suzuki-Miyaura-type reactions [8, 9]. In addition to the utilization of phenol derivatives as C−O electrophiles, it is worth noting that recent years have witnessed the employment of carboxylic acid derivatives as powerful alternatives in the C−O functionalization arena. As for the corresponding phenols, the attractiveness of these protocols is based on the ubiquity of carboxylic acids and their prevalence in a myriad of natural products and biologically-­ relevant molecules, making them particularly attractive as precursors to forge C−C and C−heteroatom bonds. Indeed, recent advances have showed that not only aryl phenyl esters [10] but also more atom-economical aryl methyl esters can be employed as coupling partners by carefully adjusting the reaction conditions, thus enabling the establishment of decarbonylative transformations of the utmost synthetic relevance as alternatives to commonly employed organic halides or phenol derivatives [11]. A close inspection of the data in literature reveals that el­e­ gant authoritative reviews on the utilization of C−O elec­tro­ philes in the cross-coupling arena have already been pre­sent­ed in recent years [12]. The purpose of this account is to focus on the most significant and recent developments in nickel catalyzed cross-coupling reactions of less-activated C−O electrophiles since 2016, leaving aside the utilization of more activated aryl sulfonate or aryl phenyl ester counterparts.

Phenol derivatives Aryl carbamates C−C bond-forming reactions Although a myriad of elegant Ni-catalyzed cross-coupling reactions of aryl carbamates have been described in the literature, the vast majority of these remain confined to particularly activated π-extended substrates [13]. In 2017, Wang and Uchiyama carried out a systematic study of organoaluminium-mediated cross-coupling reactions via functionalization of C−O, C−N and C−F bonds (figure 1, top) [14]. Notably, the method was found to be broadly applicable to non-π-­ extended phenol derivatives, including the utilization of organoaluminium reagents bearing electron-withdrawing groups or sterically-demanding precursors. Unfortunately, the authors did not include a mechanistic proposal that explained the results observed.

Figure 1.  Ni-catalyzed cross-coupling reactions of aryl carbamates. Source: Prepared by the authors.

C−heteroatom bond-forming reactions While borylation and amination protocols were described prior to 2016 [13c, 13d], three years later Rasappan reported the catalytic silylation of aryl carbamates with silylmagnesium reagents (figure 1, bottom) [15]. The protocol operates under mild reaction conditions using inexpensive, bench-­ stable NiBr2(PPh3)2 in Et2O at room temperature. Interestingly, good yields were achieved when conducting the reaction at large scale with only 1 mol% catalyst loading. Both electron-rich and electron-deficient groups on carbamates were compatible and aryl, alkenyl and benzyl carbamates could be coupled with equal ease. Notably, the authors performed preliminary mechanistic studies, which supported a mechanistic pathway consisting of in situ formation of Ni(0)Ln species that undergo a canonical catalytic cycle based on oxidative addition, transmetallation and reductive elimination pathways.

87


Aryl pivalates C−C bond-forming reactions The construction of biaryl motifs via nickel-catalyzed cross-­ coupling of aryl pivalates with aryl zinc reagents was first reported by Shi and co-workers in 2008 [16]. However, it was not until a decade later when Rueping described an analogous transformation with alkylzinc reagents (figure 2, top) [10c]. Interestingly, the authors were able to perform the selective functionalization of phenyl carboxylic acids, either via decarbonylative pathways or C−O bond cleavage. Unfortunately, however, no mechanistic investigations were performed to delineate the intrinsic features of these transformations. Inspired by the work of Uemura [17] and Martin [18] on the Pd-catalyzed coupling of aryl halides with tert-cyclobutanols, Liu and co-workers have recently described the means to forge g-arylated ketones by Ni-catalyzed cross-coupling of aryl pivalates with tert-cyclobutanols under mild reaction conditions (50-80 °C) (figure 2, bottom) [19]. Unlike most of C(sp2)−OPiv functionalization strategies, the utilization of bidentate phosphine ligands (such as dcype, dppb or dppf) was ineffective in promoting the desired transformation [20, 21]. Although the relatively more challenging anisole derivatives proved to be effective as coupling partners in this transformation, the presence of acetyl groups or ortho substituents resulted in lower yields. Unfortunately, the authors did not perform mechanistic studies to unravel the intricacies of the transformation. Still, a similar pathway was proposed to that shown by Uemura [17], based on an initial oxidative addition of the C−O electrophile to Ni(0)Ln, followed by ligand exchange, setting the stage for b-carbon elimination and final reductive elimination.

88

Figure 2.  Ni-catalyzed C−C bond-forming cross-coupling reactions of aryl pivalates. Source: Prepared by the authors.

C−heteroatom bond-forming reactions Although catalytic amination protocols via C−O bond-­ cleavage were already described prior to 2016 [22], these protocols were predominantly restricted to the formation of secondary and tertiary amines. Aiming at overcoming these limitations, Rueping and co-workers reported a broadly general Ni-catalyzed amination protocol with aryl pivalates (figure 3, top) [23], phenyl esters and amides as starting materials, the latter via decarbonylative pathways [10a]. Although fairly similar conditions were used in both methods, lower temperatures were needed when using pivalates, suggesting that C−O scission is probably easier than that of the corresponding phenyl ester and amide counterparts. Unfortunately, the scope of the reaction when utilizing aryl pivalates remained confined to particularly activated π-extended systems. In addition, no mechanistic investigations were conducted, leaving a reasonable doubt as to how the reaction proceeded at the molecular level. Aiming at increasing the repertoire of C−O functionalization reactions, Martin and co-workers reported a catalytic stannylation reaction of aryl esters and SnBu3SiMe3 reagents (figure 3, middle) [24]. Interestingly, this methodology converts electrophilic aryl esters into nucleophilic organotin reagents, which can be further functionalized via C−Sn cleavage in a similar way to that shown previously by the same group when forging otherwise related silylation reagents via C−O cleavage [25]. Notably, non-π-extended arenes or heterocyclic moieties could also be employed as substrates. It is worth noting that the authors showed that the oxidative addition complex I (figure 3, middle) arising from reaction of the aryl pivalate to Ni(0)Ln [26] turned out to be catalytically competent as a

Figure 3.  Ni-catalyzed C−heteroatom bond-forming cross-coupling reactions of aryl pivalates. Source: Prepared by the authors.


reaction intermediate, thus suggesting a classical catalytic cycle consisting of a transmetallation mediated by fluoride source followed by reductive elimination to forge the targeted C−C bond while releasing the propagating Ni(0)Ln species. A considerable step-forward in the C−O functionalization arena was the ability to extend these protocols to stereospecific transformations, allowing the transfer of the inherent chirality of the substrates into the targeted products without the need to use particularly expensive chiral ligands [12f ]. The first stereospecific C−C bond-forming reaction using nickel catalysis and benzyl pivalates was independently described by both Jarvo [27] and Watson [28] in 2013. However, it was not until 2017 when Martin and co-workers reported a Ni-catalyzed stereospecific C−heteroatom bond-forming protocol for generating organoboronic esters from the corresponding benzyl pivalates (figure 3, bottom) [29]. Although the reaction was limited to π-extended systems and ortho substituents could not be accommodated, the reaction was equally effective regardless of whether electron-rich or electron-poor arenes were utilized. Unlike other stereospecific protocols, the reaction proceeded with retention of configuration, an observation that suggests the intervention of an SN2’-type oxidative addition that generates a putative π-benzyl nickel(II) intermediate II (figure 3, bottom). As described in this section, there is ample consensus that C(sp2)−O bond activation might occur via oxidative addition of the C−O linkage to Ni(0)Ln. However, experimental evidence for such a seemingly innocent pathway with monodentate phosphine ligands was altogether absent in the literature. In 2018, Gómez-Bengoa, Burés and Martin reported a combined experimental and computational study on the C−O silylation of aryl esters, where the role of an unorthodox di­ nick­el oxidative addition complexes III (figure 4) in C−O cleav­age was demonstrated for the first time [30]. Aiming at high­light­ing the importance of the dimetallic species in the C−O cleavage of aryl esters, the authors studied in detail the Ni/Cu-catalyzed silylation previously reported by the same group (figure 4, top) [25]. Spectroscopic data, stochiometric experiments and kinetic studies provided a detailed picture of dinickel complexes as off-cycle reservoirs of the active mononickel oxidative addition complex via disproportionation. Following up on their interest in shedding light on C−O bond-cleavage at the molecular level, early this year Martin

Figure 4.  Mechanistic studies on the C−O silylation of aryl esters. Source: Prepared by the authors.

and co-workers reported a detailed investigation on how Ni catalysts enable sp2−sp2 bond-formation between aryl esters and arylzinc species (figure 5) [16, 31]. The authors started by demonstrating the long-presumed on-cycle oxidative addition of non-π-extended aryl ester to Ni(0) complexes bearing monodentate phosphines. These species can undergo decomposition forming off-cycle Ni(I) species via disproportionation pathways or via direct comproportionation (figure 5, bottom). Of special interest was the unraveling of the influence of the Zn(II) salts on the catalytic turnover, since they are frequently employed as additives in Ni-catalyzed cross-coupling reactions. In this regard, the authors gathered evidence that Zn salts facilitate decomposition by enabling non-desirable redox processes and ligand sequestering events. On the other hand, transmetallation of well-defined Ni(II) complexes was confirmed to be facilitated by [(PCy3)Zn(Cl)(Ph)]2. Finally, the

Figure 5.  Mechanistic studies of the C−O Negishi cross-coupling reaction of aryl esters. Source: Prepared by the authors.

89


influence of the amide solvents was evaluated, concluding that the formation of (DMA)ZnCl2 or (PCy3)Ni(DMA) adducts prevents decomposition. Interestingly, pyridine provides a similar behavior by restoring the catalytic activity when performing the catalysis in THF.

Reductive cross-coupling reactions Prompted by a disclosure described independently by Martin, Chatani and Tobisu [32, 33], Han and co-workers reported a Ni-catalyzed reduction of aryl pivalates by using sodium formate as reductant (figure 6) [34]. Interestingly, the catalyst loading can be lowered down to 0.5 mol% without a noticeable decrease in yield. Moreover, functional groups that were not tolerated in previous methods (e.g., carbonyls, nitriles, sulfides, fluorides or carbonyl groups) could all now be well accommodated [32, 33, 35]. As shown previously by Martin [24], the authors demonstrated that the aryl-Ni(II) oxidative addition complex I (figure 6, bottom) was competent as a reaction intermediate. In addition, isotope-­ labelling experiments confirmed sodium formate as a hydrogen source. Although no further mechanistic studies were performed to determine if the reaction proceeds through a Ni(0)/Ni(I) [36] or Ni(0)/Ni(II) couple, the authors favored a pathway consisting of an oxidative addition, ligand exchange with sodium formate, subsequent de­car­box­ yl­a­tion to form the nickel-hydride species, and a final reductive elimination.

90

Figure 6.  Ni-catalyzed reductive cross-coupling reaction of aryl pivalates and the corresponding mechanistic proposal. Source: Prepared by the authors.

Aryl methyl ethers C−C bond-forming reactions While notable developments of Kumada-Tamao-Corriu reactions using ethereal substrates with both N-heterocyclic carbenes (NHCs) and trialkylphosphine ligands have already been described in the literature [37], the utilization of carbodicarbenes (CDCs) has facilitated unique transformations previously inaccessible with related NHCs ligands [38]. Specifically, Ong and co-workers reported the utility of CDC ligands in Ni-catalyzed Kumada-Corriu reactions under exceptionally mild reaction conditions (figure 7, top) [39]. A variety of aromatic substrates featuring a broad range of electron-neutral, donating or withdrawing groups could be accommodated with equal ease. Competition experiments between naphthalene and anisole derivatives showed high selectivity for the former, indicating that π-extended backbones play a non-­ negligible role in reactivity. This observation is certainly not surprising given the superior reactivity of π-extended systems over regular arenes in related C−O bond-functionalization reactions [36a, 37a, 40]. Although the authors propose a transition state that shows the critical role exerted by the Lewis acidity of Mg(II) cations (IV) (figure 8, top), the intermediacy of Ph-Ni(II)-OMe species V is in sharp contrast to the reports by Uchiyama [41] and Martin [36] that suggested that the latter undergoes competitive rapid b-hydride elimination at room temperature (figure 8, bottom). Driven by the low chemoselectivity profile of Grignard reagents, a considerable effort has been devoted to find alternate organometallic coupling partners for forging C−C bonds in the C−O bond-functionalization arena with improved gen-

Figure 7.  Ni-catalyzed C−C bond-forming cross-coupling reactions of aryl methyl ethers. Source: Prepared by the authors.


assisted the C−O bond activation via the Lewis acidity of Mg(II) whereas sterically-demanding RMgBr reagents were critical to avoid Kumada-Corriu type side-reactions. In this case, the authors did not require the use of Cs2CO3 as an additive to aid in the formation of the Ni−C bond through the formation of a Cs+ cluster, as proposed by Itami, Musaev and co-workers [45b].

Figure 8.  Mechanistic proposal of the reactivity of Ph-Ni(II)-OMe species. Source: Prepared by the authors.

erality, modularity and chemoselectivity profile. To this end, Tobisu and Chatani reported an elegant nickel-catalyzed Suzuki-Miyaura coupling of aryl methyl ethers with sterically bulky organoboron reagents (B2nep2) [42]. As for a myriad of C−OMe bond-functionalization reactions, however, the method was primarily restricted to π-extended aromatics. Subsequently, Ong and co-workers reported a directing group strategy to facilitate the activation of more challenging C−O linkages with regular arene derivatives by using both NHC and CDC ligands (figure 7, middle) [43]. In analogy with Chatani and Tobisu’s work [42, 44], the authors propose that the energy barrier for C−OMe cleavage can be lowered by interaction of CsF and the corresponding aryl boronic esters with the in situ generated Ni(II) intermediates. While the means to enable cross-coupling reactions of aryl methyl ethers with well-defined organometallic reagents provided a considerable push in chemical innovation, the use of the latter constituted an inherent limitation to the exploration of the full potential of these technologies in the scientific community. Prompted by this observation, chemists were challenged to merge the activation of C−OMe bonds with the ability to trigger C−H functionalization. Although considerable progress was made with related aryl pivalates [45] and aryl carbamates [13g] as C−O electrophiles, it was not until 2018 when Ong reported the first strategy using aryl methyl ethers as coupling partners (figure 7, bottom) [46]. The protocol demonstrates the viability of conducting a cross-coupling reaction of aryl methyl ethers and heteroarene derivatives based on a tandem strategy using Ni(COD)2/IPr and otolylMgBr. Although the incorporation of the latter lowered the functional group tolerance, the scope included π-extended backbones as well as regular anisole derivatives. Preliminary mechanistic studies suggested that Grignard reagents

C−heteroatom formation Despite the significant progress in the C−OMe functionalization arena when forging C−C bonds [37,39-46], it is somewhat intriguing that C−heteroatom bond-forming reactions have found comparatively little echo. The first efforts towards this goal involved elegant studies describing the ability to enable borylation [47] or amination [48] protocols via C−OMe bond-cleavage. It is worth noting, however, that these techniques require particularly electron-rich, yet expensive, phosphine or NHC ligands at considerable high temperatures. Driven by these precedents, Martin and co-workers described a ligand-free C−Si bond formation via Ni-catalyzed C(sp2)−OMe cleavage that operated at room temperature with silylborane reagents (figure 9, top) [49]. In contrast to prior reports, this protocol could be extended to non-π-extended systems or arenes lacking activating groups in the vicinity. In addition, the coupling of benzyl methyl ethers posed no problems. Interestingly, mono or bis-silylation could be enabled by carefully adjusting the stoichiometry of the reaction. The authors propose that the reaction proceeds via ate complex VI (figure 9, top) where the non-coordinating escorting potassium counterion facilitates binding of the OMe motif, thus facilitating a formal nucleophilic aromatic substitution at the C−OMe linkage [50].

Figure 9.  Ni-catalyzed C−heteroatom bond-forming cross-coupling reactions of aryl methyl ethers. Source: Prepared by the authors.

91


Early this year, Rasappan extended the methodology by promoting a silylation of benzylic C(sp3)−OMe bonds using Me3SiMgI instead of the above-mentioned silylborane (figure 9, bottom) [51]. Interestingly, while Ni(COD)2 completely shut down the reactivity, NiBr2·glyme and NiBr2·diglyme provided the best results when using AgF in THF at 0 °C. Moreover, the strategy could be extended to an enantiospecific silylation with inversion of stereochemistry using enantiopure benzyl alcohol derivatives. Likewise, benzylic C(sp3)−OMe bonds were significantly more reactive than their corresponding C(sp2)−OMe motifs, an observation already made by Martin in 2010 on enabling a formal hydrogenolysis reaction [32]. Unfortunately, however, no in-depth mechanistic studies were performed to unravel the role that AgF might play in the reaction outcome.

Reductive cross-coupling reactions As previously mentioned, the catalytic reductive cleavage of C−O bonds in phenol derivatives has received significant attention in recent years. In this regard, Martin [32], Chatani [33] and Hartwig [35] made important advances towards this end. However, π-extended systems were considerably more reactive than their simple arene congeners, thus constituting a limitation for further developments. In 2018, Chatani and Tobisu extended the methodology to simple anisole derivatives using diisopropylamino boranes as reducing agents (figure 10) [52], showing that such a system outperformed previously developed protocols aimed to achieve the same goal. Although high temperatures were still required to activate anisole derivatives, biphenyl compounds could be reductively cleaved under milder conditions (180 vs. 100 °C). The authors noticed, however, that an excess of the boron source was needed for the reaction to occur, as parasitic borylation of the solvent

92

Figure 10.  Ni-catalyzed reductive cross-coupling reaction of aryl methyl ethers. Source: Prepared by the authors.

was observed in the crude reaction mixtures. Several experiments to unravel the origin of the hydride source were performed by the authors: (1) the use of the isotopically-labelled ArOCD3 VII resulted in no deuterium incorporation into the arene, tacitly suggesting that a pathway consisting of b-hydride elimination from in situ generated Ar-Ni(II)OCD3 was not coming into play (figure 10, bottom); (2) intriguingly, significant deuterium incorporation into all arene C−H bonds was found when utilizing either labelled aminoborane, toluene-d8 or dioxane-d8. Putting all the pieces together, it was not evident how the reaction operates at the molecular level; however, there is little doubt that this contribution might offer new avenues in the years to come, from both the methodological and mechanistic standpoints.

Carboxylic acid derivatives − aryl methyl esters Non-decarbonylative reactions C−heteroatom bond-forming reactions In 2016, Garg and co-workers [53] reported the first example of the utilization of aryl methyl esters (ArCO2Me) as C−O electrophiles, culminating in the development of a catalytic amidation with aniline derivatives based on a Ni(COD)2/SIPr regime (figure 11, top). Although π-extended systems were considerably more reactive than their regular arene congeners, it is worth noting that the reaction could take place at considerably lower temperatures than those observed previously in related C−O functionalization reactions. This can be explained by the use of stoichiometric Al(OtBu)3 as a media-

Figure 11.  Non-decarbonylative Ni-catalyzed C−heteroatom bond-forming crosscoupling reactions of aryl methyl esters. Source: Prepared by the authors.


tor, which affects both the kinetics and the thermodynamics of the reaction [54]. Computational studies supported a mechanistic pathway consisting of an oxidative addition, ligand exchange and reductive elimination (figure 12, left). Moreover, decarbonylation was found to be less favored from the corresponding acyl-Ni(II) intermediates. Subsequently, Hu and co-workers [55] reported an alternative protocol for the conversion of ArCO2Me into anilides employing nitroarenes as coupling partners (figure 11, middle). The use of nitroarenes is not only more step-economical than anilines but also improves the functional group compatibility in the presence of alkyl halides or carbonyl groups that could be susceptible to activation under optimized reaction conditions. Primary alkyl esters showed greater reactivity than the corresponding secondary alkyl analogues, an observation that is consistent with steric considerations. The authors proposed a mechanistic picture that differs from that proposed by Garg [53], where an azobenzene is generated in situ by the presence of a strongly reductive medium. These species presumably react with Ni(0) to form a Ni(II) nitrene intermediate, which reacts via a yet unknown pathway en route to a Ni(II) amidate complex, which is then reduced by Zn to give a zinc amidate and regenerate the Ni(0) catalyst (figure 12, right). One year later, Newman reported a complementary protocol for the catalytic amidation of aryl methyl esters [56] that operates in the absence of stochiometric activating agents, allowing the coupling of a wide range of nucleophilic coupling partners and heterocycle motifs, even in the presence of particularly sensitive functional groups (figure 11, bottom). Subsequently, the authors reported a related contribution that made use of commercially available and air-stable IPr·HCl as the ligand. Even so, the reaction required the utilization of air-sensitive Ni(COD)2 and high reaction temperatures [57].

Figure 12.  Mechanistic proposals of non-decarbonylative Ni-catalyzed C−heteroatom bond-forming cross-coupling reactions of aryl methyl esters. Source: Prepared by the authors.

C−C bond-forming reactions In 2019, Newman described the development of a Ni-catalyzed domino Heck-type reaction with aryl methyl esters (figure 13, top and middle) [58]. Inspired by the work of Garg [59] and Stanley [60], the authors proposed that in situ generated acyl-Ni(II) intermediate VIII (figure 14, left) could be trapped intramolecularly by a tethered allyl fragment and sequential intermolecular transmetallation with an organoboron nucleophile or by a b-hydride elimination pathway. Specifically, it was found that the Ni-catalyzed Heck/Suzuki-Miyaura coupling could be enabled by Ni(COD)2/SIPr and a mixture of CsF/KF in THF at 80 °C, whereas the Mizoroki-Heck reaction was achieved by Ni(COD)2/ SIPr·HCl with tBuOK and K3PO4 in toluene at 100 °C for 16 h, and by using 1-phenylethanol as hydride source. The authors support a pathway consisting of an oxidative addition to the C(acyl)−O bond to form a Ni(II) intermediate followed by migratory insertion of the tethered olefin, ultimately triggering a transmetallation and/or reductive elimination to deliver the targeted products. Early this year, Newman described the development of a Ni-catalyzed Suzuki-Miyaura cross-coupling of aryl methyl esters en route to phenyl ketone derivatives (figure 13, bottom) [61]. Intriguingly, an unusual NHC ligand with remote steric bulk was required for the reaction to occur. As expected, the steric bulk at the ester backbone had a non-negligible impact on reactivity. In any case, the transformation was characterized by its generality across a wide range of substrates bearing different electronic and steric environments. Interestingly, aryl boronic acids could not be employed as substrates whereas a considerable drop in yield was observed by subtle

Figure 13.  Non-decarbonylative Ni-catalyzed C−C bond-forming cross-coupling reactions of aryl methyl esters. Source: Prepared by the authors.

93


modification of the boronic acid, specifically the absence of aromatic rings within its structure. This observation was supported by theoretical calculations, suggesting the involvement of non-covalent interactions between the catalyst and substrate (figure 14, right). Importantly, the authors showed that the technology could be used in the presence of groups that are a priori amenable to activation with Ni catalysts, suggesting that orthogonal protocols might come into play with a judicious choice of the reaction conditions. Moreover, site-­ selectivity could be accomplished for substrates possessing electronically-differentiated esters, with particularly electron-poor substrates showing superior reactivity.

Figure 14.  Key intermediates in non-decarbonylative Ni-catalyzed C−C bond-forming cross-coupling reactions of aryl methyl esters. Source: Prepared by the authors.

Decarbonylative reactions C−heteroatom bond-forming reactions Prompted by a catalytic stannylation reported by Martin when using aryl pivalates as C−O electrophiles and Me3SiSnBu3 [24], Rueping described an otherwise analogue reaction with the same silylstannyl reagent by using aryl methyl esters instead, resulting in a decarbonylative stannylation that operated at high temperatures (figure 15, top) [62]. Interestingly, a subtle change in both the Ni catalyst and the base employed allowed for the coupling of aryl esters with different steric environments. Unfortunately, the authors did not include a mechanistic proposal that explained the results observed.

C−C bond-forming reactions

94

In 2018, Yamaguchi described the development of a Ni-­ catalyzed methylation of aromatic esters by using dimethylaluminium chloride as both nucleophilic partner and Lewis acid to activate the targeted C−O bond (figure 15, middle) [63]. Not only phenyl- but also alkyl-substituted aryl esters could be used as coupling partners, albeit the technology relied pri-

Figure 15.  Decarbonylative Ni-catalyzed cross-coupling reactions of aryl methyl esters. Source: Prepared by the authors.

marily on the utilization of π-extended systems. As for Rueping’s protocol [62], high temperatures (170 °C) and bidentate ligands (dcypt or dppp) were required for the reaction to occur; indeed, the utilization of monodentate PCy3 and NHC ligands significatively decreased the yield of the reaction. While the activation of methyl esters required the presence of aluminium reagents, this was not the case when employing phenyl esters. Unfortunately, the authors did not include a mechanistic proposal of this rather appealing transformation, but one might tentatively anticipate that both transformations occur via a “classical” Ni(0)/Ni(II) mechanistic scenario consisting of oxidative addition, CO extrusion, transmetallation and reductive elimination.

Reductive cross-coupling reactions In 2019, Chatani reported the nickel-catalyzed reductive defunctionalization of esters in the absence of an external reductant using the Ni(COD)2/IMes couple in toluene at 180 °C (figure 15, bottom) [64]. While excellent yields were obtained for esters bearing OMe, OEt, OBu or OiPr groups, lower results were consistently obtained for sterically encumbered tBu analogues. As for other cross-coupling reactions of C−O electrophiles, the present ortho N-heteroaromatic rings or carbonyl groups could be employed as directing groups to facilitate oxidative addition into the C−O bond (see IX, figure 15), thus setting the stage for triggering a decarbonylation, b-hydride elimination and reductive elimination. Preliminary mechanistic studies suggested an irreversible C−O cleavage and/or decarbonylation, whereas reversibility was proposed for the b-hydride elimination step.


Conclusions Despite the seminal work reported by Wenkert in 1979 on the nickel-catalyzed cross-coupling of aryl and vinyl ethers with Grignard reagents, the cross-coupling arena had largely been focused on the use of organic halides as electrophilic counterparts. However, in recent years chemists have shown that simple and readily available phenol and aryl carboxylic acid derivatives can be used for similar purposes, representing a worthwhile endeavor for chemical invention. Unfortunately, however, these reactions are still in their infancy compared with the impressive preparative profile of cross-coupling reactions with organic halides. In addition, it is worth noting that little knowledge has been gathered regarding the mechanism by which these reactions operate. Isolated mechanistic studies have revealed that the functionalization of C–O bonds might follow a different rationale from that shown for organic halides, populating pathways a priori beyond reach in the latter while offering new dogmas at molecular level for designing future endeavors. It is consequently reasonable to predict a bright future for the coming years in the C–O functionalization arena, not only by expanding the range of cross-coupling partners that can be utilized in these processes, but also by understanding the mechanistic intricacies of these rather appealing transformations.

Acknowledgments We thank ICIQ, FEDER/MICIU (AEI/PGC2018-096839-B100) and MCI/AIE (Severo Ochoa Excellence Accreditation 20202023, CEX2019-000925-S) for financial support. C. O. thanks AEI for a predoctoral fellowship (PRE2019-089145).

References [1] (a) Corriu, R. J. P.; Masse, J. P. “Activation of Grignard reagents by transition-metal complexes. A new and simple syn­ thesis of trans-stilbenes and polyphenyls”. J. Chem. Soc., Chem. Commun., 0 (1972), 144. (b) Tamao, K.; Sumitani, K.; Kumada, M. “Selective carbon−carbon bond formation by cross-coupling of Grignard reagents with organic halides. Catalysis by nickel-phosphine complexes”. J. Am. Chem. Soc., 94 (1972), 4374-4376.

[2] (a) Miyaura, N. Cross-coupling reactions: A practical guide. Berlin: Springer-Verlag, 2002. (b) de Mejeire, A.; Diedrich, F. Metal-catalyzed cross-coupling reactions, 2nd ed. Germany: Wiley-VCH, 2004. (c) Campeau, L. C.; Hazari, N. “Cross-coupling and related reactions: Connecting past success to the de­vel­ op­ment of new reactions for the future”. Organometallics, 38 (2019), 3-35. [3] Wenkert, E.; Michelotti E. L.; Swindell, S. C. “Nickel-induced conversion of carbon−oxygen into carbon−carbon bonds. One-step transformations of enol ethers into olefins and aryl ethers into biaryls”. J. Am. Chem. Soc., 101 (1979), 2246-2247. [4] (a) Miyaura, N.; Suzuki, A. “Stereoselective synthesis of arylated (E )-alkenes by the reaction of alk-1-enylboranes with aryl halides in the presence of palladium catalyst”. J. Chem. Soc. Chem. Commun. (1979), 866-867. (b) Miyaura, N.; Yamada, K.; Suzuki, A. “A new stereospecific cross-coupling by the palladium-catalyzed reaction of 1-alkenylboranes with 1-alkenyl or 1-alkynyl halides”. Tetrahedron Lett., 36 (1979), 3437-3440. [5] (a) Luo, Y.-R. Handbook of bond dissociation energies in organic compound. FL: CRC Press, 2007. (b) Alper, S. M. H.; Gossage, R. A.; Grushin, V. V.; Hidai, M.; Ito, Y.; Jones, W. D.; Kakiuchi, F.; van Koten, G.; Lin, Y.-S.; Mizombe, Y.; Murai, S.; Murakami, M.; Richmond, T. G.; Sen, A.; Suginome, M.; Yamamoto, A. Activation of unreactive bond and organic synthesis. Berlin: Springer, 1999. [6] Sengupta, S.; Leite, M.; Raslan, D. S.; Quesnelle, C.; Snieckus, V. “Ni(0)-catalyzed cross-coupling of aryl O-carbamates and aryl triflates with Grignard reagents. Directed ortho metalation-­ aligned synthetic methods for polysubstituted aromatics via a 1,2-dipole equivalent”. J. Org. Chem., 57 (1992), 4066-4068. [7] Dankwardt, J. W. “Nickel-catalyzed cross-coupling of aryl Grignard reagents with aromatic alkyl ethers: An efficient synthesis of unsymmetrical biaryls”. Angew. Chem. Int. Ed., 43 (2004), 2428-2432. [8] Quasdorf, K. W.; Tian, X.; Garg, N. K. “Cross-coupling reactions of aryl pivalates with boronic acids”. J. Am. Chem. Soc., 130 (2008), 14422-14423. [9] Guan, B.-T.; Wang, Y.; Li, B.-J.; Yu, D.-G.; Shi, Z.-J. “Biaryl construction via Ni-catalyzed C−O activation of phenolic carboxylates”. J. Am. Chem. Soc., 130 (2008), 14468-14470. [10] Most recent examples: (a) Yue, H.; Guo, L.; Liao, H.-H.; Cai, Y.; Zhu, C.; Rueping, M. “Catalytic ester and amide to amine interconversion: Nickel-catalyzed decarbonylative amination of esters and amides by C−O and C−C bond activation”. Angew. Chem. Int. Ed., 56 (2017), 4282-4285. (b) Yue, H.; Guo, L.; Lee,

95


96

S.-C.; Liu, X.; Rueping, M. “Selective reductive removal of ester and amide groups from arenes and heteroarenes through nickel-catalyzed C−O and C−N bond activation”. Angew. Chem. Int. Ed., 56 (2017), 3972-3976. (c) Liu, X.; Jia, J.; Rueping, M. “Nickel-catalyzed C−O bond-cleaving alkylation of esters: Direct replacement of the ester moiety by functionalized alkyl chains”. ACS Catal., 7 (2017), 4491-4496. (d) Chatupheeraphat, A.; Liao, H.-H.; Simontree, W.; Guo, L.; Minenkov, Y.; Poater, A.; Cavallo, L.; Rueping, M. “Ligand-controlled chemoselective C(acyl)−O bond vs C(aryl)−C bond activation of aromatic esters in nickel catalyzed C(sp2)−C(sp3) cross-couplings”. J. Am. Chem. Soc., 140 (2018), 3724-3735. (e) Yang, F.; Ding, D.; Wang, C. “Nickel-catalyzed direct cross-electrophile coupling of phenolic esters with alkyl bromides”. Org. Lett., 22 (2020), 9203-9209. (f) Malapit, C. A.; Borrell, M.; Milbauer, M. W.; Brigham, C. E.; Sanford, M. S. “Nickel-catalyzed decarbonylative amination of carboxylic acid esters”. J. Am. Chem. Soc., 142 (2020), 5918-5923. [11] Guo, L.; Rueping, M. “Decarbonylative cross-couplings: Nickel catalyzed functional group interconversion strategies for the construction of complex organic molecules”. Acc. Chem. Res., 51 (2018), 1185-1195. [12] Selected reviews on C–O bond cleavage: (a) Rosen, B. M.; Quasdorf, K. W.; Wilson, D. A.; Zhang, N.; Resmerita, A.-M.; Garg, N. K.; Percec, V. “Nickel-catalyzed cross-couplings involving carbon−oxygen bonds”. Chem. Rev., 111 (2011), 1346-1416. (b) Yamaguchi, J.; Muto, K.; Itami, K. “Recent progress in nickel catalyzed biaryl coupling”. Eur. J. Org. Chem., (2013), 19-30. (c) Mesganaw, T.; Garg, N. K. “Ni- and Fe catalyzed cross-­ coupling reactions of phenol derivatives”. Org. Process Res. Dev., 17 (2013), 29-39. (d) Cornellà, J.; Zárate, C.; Martin, R. “Metal-catalyzed activation of ethers via C−O bond cleavage: A new strategy for molecular diversity”. Chem. Soc. Rev., 43 (2014), 8081-8097. (e) Su, B.; Cao, Z.-C.; Shi, Z.-J. “Exploration of earth-abundant transition metals (Fe, Co, and Ni) as cat­ alysts in unreactive chemical bond activations”. Acc. Chem. Res., 48 (2015), 886-896. (f) Tollefson, E. J.; Hanna, L. E.; Jarvo, E. R. “Stereospecific nickel-catalyzed cross-coupling reactions of benzylic ethers and esters”. Acc. Chem. Res., 48 (2015), 2344-2353. (g) Tobisu, M.; Chatani, N. “Nickel-catalyzed cross-coupling reactions of unreactive phenolic electrophiles via C−O bond activation”. Top. Curr. Chem., 374 (2016), 1-28. (h) Zeng, H.; Qiu, Z.; Domínguez-Huerta, A.; Hearne, Z.; Chen, Z.; Li, C.-J. “An adventure in sustainable cross-coupling of phenols and derivatives via carbon−oxygen bond cleavage”. ACS Cat­ al., 7 (2017), 510-519. (i) Lin, G.; Rueping, M. “Decarbonylative

cross-couplings: Nickel catalyzed functional group interconversion strategies for the construction of complex organic molecules”. Acc. Chem. Res., 51 (2018), 1185-1195. (j) Tobisu, M. Nickel catalysis in organic synthesis: Methods and reactions. C−O Bond Transformations. Germany: Wiley, 2020. [13] Most recent examples: (a) Quasdorf, K. W.; Riener, M.; Petrova, K. V.; Garg, N. K. “Suzuki-Miyaura coupling of aryl carbamates, carbonates, and sulfamates”. J. Am. Chem. Soc., 131 (2009), 17748-17749. (b) Antoft-Finch, A.; Blackburn, T.; Snieckus, V. “N,N-diethyl O-carbamate: Directed metalation group and orthogonal Suzuki-Miyaura cross-coupling partner”. J. Am. Chem. Soc., 131 (2009), 17750-17752. (c) Huang, K.; Yu, D.-G.; Zheng, S.-F.; Wu, Z.-H.; Shi, Z.-J. “Borylation of aryl and alkenyl carbamates through Ni-catalyzed C−O activation”. Chem. Eur. J., 17 (2011), 786-791. (d) Mesganaw, T.; Silberstein, A. L.; Ramgren, S. D.; Nathel, N. F. F.; Hong, X.; Liu, P.; Garg, N. K. “Nickel-catalyzed amination of aryl carbamates and sequential site-selective cross-couplings”. Chem. Sci., 2 (2011), 1766-1771. (e) Takise, R.; Itami, K.; Yamaguchi, J. “Cyanation of phenol derivatives with aminoacetonitriles by nickel catalysis”. Org. Lett., 18 (2016), 4428-4431. (f) Shi, W.-J.; Zhao, H.-W.; Wang, Y.; Cao, Z.-C.; Zhang, L.-S.; Yu, D.-G.; Shi, Z.-J. “Nickel- or iron-catalyzed cross-coupling of aryl carbamates with arylsilanes”. Adv. Synth. Catal., 358 (2016), 24102416. (g) Wang, Y.; Wu, S.-B.; Shi, W.-J.; Shi, Z.-J. “C−O/C−H coupling of polyfluoroarenes with aryl carbamates by coop­ erative Ni/Cu catalysis”. Org. Lett., 18 (2016), 2548-2551. [14] Ogawa, H.; Yang, Z.-K.; Minami, H.; Kojima, K.; Saito, T.; Wang, C.; Uchiyama, M. “Revisitation of organoaluminium reagents affords a versatile protocol for C−X (X = N, O, F) bond-cleavage cross-coupling: A systematic study”. ACS Cat­al., 7 (2017), 3988-3994. [15] Murugesan, V.; Balakrishnan, V.; Rasappan, R. “Nickel-­ catalyzed cross-coupling reaction of carbamates with silylmagnesium reagents”. Journal of Catalysis, 377 (2019), 293-298. [16] Li, B.-J.; Li. Y.-Z.; Lu, X.-Y.; Liu, J.; Shi, Z.-J. “Cross-coupling of aryl/alkenyl pivalates with organozinc reagents through nickel-catalyzed C−O bond activation under mild reaction conditions”. Angew. Chem. Int. Ed., 47 (2008), 10124-10127. [17] Nishimura, T.; Uemura, S. “Palladium-catalyzed arylation of tert-cyclobutanols with aryl bromide via C−C bond cleavage: New approach for the γ-arylated ketones”. J. Am. Chem. Soc. 121 (1999), 11010-11011. [18] Ziadi, A.; Martin, R. “Ligand-accelerated Pd-catalyzed ketone γ-arylation via C−C cleavage with aryl chlorides” Org. Lett., 14 (2012), 1266-1269.


[19] Gan, Y.; Zhang, N.; Huang, S.; Liu, Y. “Nickel-catalyzed cross-coupling of aryl pivalates with cyclobutanols involving C−O and C−C bond cleavage”. Chin. J. Chem., 38 (2020), 1686-1690. [20] Clevenger, A. L.; Stolley, R. M.; Aderibigbe, J.; Louie, J. “Trends in the usage of bidentate phosphines as ligands in nickel cat­ alysis”. Chem. Rev., 120 (2020), 6124-6196. [21] Muto, K.; Yamaguchi, J.; Itami, K. “Nickel-catalyzed C−H/C−O coupling of azoles with phenol derivatives”. J. Am. Chem. Soc., 134 (2012), 169-172. [22] Shimasaki, T.; Tobisu, M.; Chatani, N. “Nickel-catalyzed amination of aryl pivalates by the cleavage of aryl C−O bonds”. Angew. Chem. Int. Ed., 49 (2010), 2929-2932. [23] Yue, H.; Guo, L.; Liu, X.; Rueping, M. “Nickel-catalyzed syn­ thesis of primary aryl and heteroaryl amines via C−O bond cleavage”. Org. Lett., 19 (2017), 1788-1791. [24] Gu, Y.; Martin, R. “Ni-catalyzed stannylation of aryl esters via C−O bond cleavage”. Angew. Chem. Int. Ed., 56 (2017), 3187-3190. [25] Zárate, C.; Martin, R. “A mild Ni/Cu-catalyzed silylation via C−O cleavage”. J. Am. Chem. Soc., 136 (2014), 2236-2239. [26] Muto, K.; Yamaguchi, J.; Lei, A.; Itami, K. “Isolation, structure, and reactivity of an arylnickel(II) pivalate complex in catalytic C−H/C−O biaryl coupling”. J. Am. Chem. Soc., 135 (2013), 16384-16387. [27] Harris, M. R.; Hanna, L. E.; Greene, M. A.; Moore, C. E.; Jarvo, E. R. “Retention or inversion in stereospecific nickel-­ catalyzed cross-coupling of benzylic carbamates with arylboronic esters: Control of absolute stereochemistry with an achiral catalyst”. J. Am. Chem. Soc., 135 (2013), 33033306. [28] Zhou, Q.; Srinivas, H. D.; Desgupta, S.; Watson, M. P. “Nickel-catalyzed cross-couplings of benzylic pivalates with arylboroxines: Stereospecific formation of diarylalkanes and triarylmethanes”. J. Am. Chem. Soc., 135 (2013), 3307-3310. [29] Martín-Montero, R.; Krolikowski, T.; Zárate, C.; Manzano, R.; Martin, R. “Stereospecific nickel-catalyzed borylation of secondary benzyl pivalates”. Synlett, 28 (2017), 2604-2608. [30] Somerville, R. J.; Hale, L. V. A.; Gómez-Bengoa, E.; Burés, J.; Martin, R. “Intermediacy of Ni−Ni species in sp2 C−O bond cleavage of aryl esters: Relevance in catalytic C−Si bond formation”. J. Am. Chem. Soc., 140 (2018), 8771-8780. [31] Day, C. S.; Somerville, R. J.; Martin, R. “Deciphering the di­ chotomy exerted by Zn(II) in the catalytic sp2 C−O bond functionalization of aryl esters at the molecular level”. Nature Catalysis, 4 (2021), 124-133.

[32] Álvarez-Bercedo, P.; Martin, R. “Ni-catalyzed reduction of inert C−O bonds: A new strategy for using aryl ethers as easily removable directing groups”. J. Am. Chem. Soc., 132 (2010), 17352-17353. [33] Tobisu, M.; Yamakawa, K.; Chatani, N. “Nickel-catalyzed reductive cleavage of aryl−oxygen bonds in alkoxy- and pivaloxyarenes using hydrosilanes as a mild reducing agent”. Chem. Commun., 47 (2011), 2946-2948. [34] Xi, X.; Chen, T.; Zhang, J.-S.; Han, L.-B. “Efficient and selective hydrogenation of C−O bonds with a simple sodium formate catalyzed by nickel”. Chem. Commun., 54 (2018), 1521-1524 [35] Sergeev, A. G.; Hartwig, J. F. “Selective, nickel-catalyzed hydrogenolysis of aryl ethers”. Science, 332 (2011), 439-444. [36] Cornellà, J.; Gómez-Bengoa, E.; Martin, R. “Combined experimental and theoretical study on the reductive cleavage of inert C−O bonds with silanes: Ruling out a classical Ni(0)/Ni(II) catalytic couple and evidence for Ni(I) in­ter­me­ di­ates”. J. Am. Chem. Soc., 135 (2013), 1997-2009. [37] Selected examples of Ni-catalyzed KTC coupling reactions of aryl methyl ethers using phosphine or NHC ligands: (a) Guan, B.-T.; Xiang, S.-K.; Wu, T.; Sun, Z.-P.; Wang, B.-Q.; Zhaob, K.-Q.; Shi, Z.-J. “Methylation of arenes via Ni-catalyzed aryl C−O/F activation”. Chem. Commun. (2008), 1437-1439. (b) Xie, L.-G.; Wang, Z.-X. “Cross-coupling of aryl/alkenyl silyl ethers with Grignard reagents through nickel-catalyzed C−O activation”. Chem. Eur. J., 17 (2011), 4972-4975. (c) Iglesias, M. J.: Prieto, A.; Nicasio, M. C.; “Kumada-Tamao-Corriu coupling of heteroaromatic chlorides and aryl ethers catalyzed by (IPr)Ni(allyl)Cl”. Org Lett., 14 (2012), 4318-4321. (d) Zhang, J.; Xu, J.; Xu, Y.; Sun, H.; Shen, Q.; Zhang, Y. “Mixed NHC/phosphine Ni(II) complexes: Synthesis and their applications as versatile catalysts for selective cross-couplings of ArMgX with aryl chlorides, fluorides, and methyl ethers”. Organometallics, 34 (2015), 5792-5800. (e) Tobisu, M.; Takahira, T.; Ohtsuki, A.; Chatani, N. “Nickel-catalyzed alkynylation of anisoles via C−O bond cleavage”. Org. Lett., 17 (2015), 680-683. (f) Tobisu, M.; Takahira, T.; Morioka, T.; Chatani, N. “Nickel-catalyzed alkylative cross-coupling of anisoles with Grignard reagents via C−O bond activation”. J. Am. Chem. Soc., 138 (2016), 6711-6714. [38] Selected examples: (a) Liu, S.-K.; Shih, W.-C.; Chen, W.-C.; Ong, T.-G. “Carbodicarbenes and their captodative behavior in catalysis”. Chem. Cat. Chem., 10 (2018), 1483-1498. (b) Chen, W.-C.; Hsu, Y.-C.; Lee, C.-Y.; Yap, G. P. A.; Ong, T.-G. “Synthetic modification of acyclic bent allenes (carbodicarbenes) and further studies on their structural implications and reactivities”.

97


98

Organometallics, 32 (2013), 2435-2442. (c) Chen, W.-C.; Shih, W.-C.; Jurca, T.; Zhao, L.; Andrada, D. M.; Peng, C.-J.; Chang, C.-C.; Liu, S.-K.; Wang, Y.-P.; Wen, Y.-S.; Yap, G. P. A.; Hsu, C.-P.; Frenking, G.; Ong, T.-G. “Carbodicarbenes: Unexpected p-­ accepting ability during reactivity with small molecules”. J. Am. Chem. Soc., 139 (2017), 12830-12836. [39] Ambre, R.; Yang, H.; Chen, W.-C.; Yap, G. P. A.; Jurca, T.; Ong, T.-G. “Nickel carbodicarbene catalyzes Kumada cross-­ coupling of aryl ethers with Grignard reagents through C−O bond activation”. Eur. J. Inorg. Chem., 30 (2019), 3511-3517. [40] Wang, C.; Ozaki, T.; Takita, R.; Uchiyama, M. “Aryl ether as a Negishi coupling partner: An approach for constructing C−C bonds under mild conditions”. Chem. Eur. J., 18 (2012), 34823485. [41] Ogawa, H.; Minami, H.; Ozaki, T.; Komagawa, S.; Wang, C.; Uchiyama, M. “How and why does Ni0 promote smooth etheric C−O bond cleavage and C−C bond formation? A theoretical study”. Chem. Eur. J., 21 (2015), 13904-13908. [42] Tobisu, M.; Shimasaki, T.; Chatani, N. “Nickel-catalyzed cross-coupling of aryl methyl ethers with aryl boronic esters”. Angew. Chem. Int. Ed., 47 (2008), 4866-4869. [43] Ambre, R.; Wang, T.-H.; Xian, A.; Chen, Y.-S.; Liang, Y.-F.; Jurca, T.; Zhao, L.; Ong, T.-G. “Directing group-promoted inert C−O bond activation using versatile boronic acid as a coupling agent”. Chem. Eur. J., 26 (2020), 17021-17026. [44] Schwarzer, M. C.; Konno, R.; Hojo, T.; Ohtsuki, A.; Nakamura, K.; Yasutome, A.; Takahashi, H.; Shimasaki, T.; Tobisu, M.; Chatani, N.; Mori, S. “Combined theoretical and experimental studies of nickel-catalyzed cross-coupling of methoxyarenes with arylboronic esters via C−O bond cleavage”. J. Am. Chem. Soc., 139 (2017), 10347-10358. [45] (a) Muto, K.; Yamaguchi, J.; Itami, K. “Nickel-catalyzed C−H/C−O coupling of azoles with phenol derivatives”. J. Am. Chem. Soc., 134 (2012), 169-172. (b) Xu, H.; Muto, K.; Yamaguchi, J.; Zhao, C.; Itami, K.; Musaev, D. “Key mechanistic features of Ni-catalyzed C−H/C−O biaryl coupling of azoles and naphthalen-2-yl pivalates”. J. Am. Chem. Soc., 136 (2014), 14834-14844. [46] (a) Wang, T.-H.; Ambre, R.; Wang, Q.; Lee, W.-C.; Wang, P.C.; Liu, Y.; Zhao, L.; Ong, T.-G. “Nickel-catalyzed heteroarenes cross coupling via tandem C−H/C−O activation”. ACS Catal., 8 (2018), 11368-11376. (b) Xu, H.; Muto, K.; Yamaguchi, J.; Zhao, C.; Itami, K.; Musaev, D. “Key mechanistic features of Ni-­ catalyzed C−H/C−O biaryl coupling of azoles and naphthalen-­ 2-yl pivalates”. J. Am. Chem. Soc., 136 (2014), 14834-14844. [47] Zárate, C.; Manzano, R.; Martin, R. “Ipso-borylation of aryl

ethers via Ni-catalyzed C−OMe cleavage”. J. Am. Chem. Soc., 137 (2015), 6754-6757. [48] Selected references: (a) Tobisu, M.; Yasutome, A.; Yamakawa, K.; Shimasaki, T.; Chatani, N. “Ni(0)/NHC-catalyzed amination of N-heteroaryl methyl ethers through the cleavage of carbon− oxygen bonds”. Tetrahedron, 68 (2012), 5157-5161. (b) Tobisu, M.; Shimasaki, T.; Chatani, N. “Ni0-catalyzed direct animation of anisoles involving the cleavage of carbon-oxygen bonds”. Chem. Lett., 38 (2009), 710-711. [49] Zárate, C.; Nakajima, M.; Martin, R. “A mild and ligand-free Ni-catalyzed silylation via C−OMe cleavage”. J. Am. Chem. Soc., 139 (2017), 1191-1197. [50] For related ate-complexes, see: (a) Jonas, K.; Pörschke, K. R.; Krüger, C.; Tsay, Y.-H. “Carbanion complexes of nickel(0)”. Angew. Chem. Int. Ed., 15 (1976), 621-622. (b) Iwasaki, T.; Miyata, Y.; Akimoto, R.; Fujii, Y.; Kuniyasu, H.; Kambe, N. “Diarylrhodates as promising active catalysts for the arylation of vinyl ethers with Grignard reagents”. J. Am. Chem. Soc., 136 (2014), 9260-9263. [51] Balakrishnan, V.; Murugesan, V.; Chindan, B.; Rasappan, R. “Nickel-mediated enantiospecific silylation via benzylic C−OMe bond cleavage”. Org. Lett., 23 (2021), 1333-1338. [52] Igarashi, T.; Haito, A.; Chatani, N.; Tobisu, M. “Nickel-­ catalyzed reductive cleavage of carbon−oxygen bonds in anisole derivatives using diisopropylaminoborane”. ACS Catal., 8 (2018), 7475-7483. [53] Hie, L.; Fine Nathel, N. F.; Hong, X.; Yang, Y.-F.; Houk, K. N.; Garg, N. K. “Nickel-catalyzed activation of acyl C−O bonds of methyl esters”. Angew. Chem. Int. Ed., 55 (2016), 2810-2814. [54] Liu, X.; Hsiao, C.-C.; Kalvet, I.; Leiendecher, M.; Guo, L.; Schoenebeck, F.; Rueping, M. “Lewis acid assisted nickel-­ catalyzed cross-coupling of aryl methyl ethers by C−O bond-cleaving alkylation: Prevention of undesired b-hydride elimination”. Angew. Chem. Int. Ed., 55 (2016), 6093-6098. [55] Cheung, C. W.; Ploeger, M. L.; Hu, X. “Direct amidation of esters with nitroarenes”. Nat. Commun., 8 (2017), 1487814888. [56] Halima, T. B.; Masson-Makdissi, J.; Newman, S. G. “Nickel-­ catalyzed amide bond formation from methyl esters”. Angew. Chem. Int. Ed., 57 (2018), 12925-12929. [57] Zheng, Y.-L.; Newman, S. G. “Methyl esters as cross-­ coupling electrophiles: Direct synthesis of amide bonds”. ACS Catal., 9 (2019), 4426-4433. [58] Zheng, Y.-L.; Newman, S. G. “Nickel-catalyzed domino Hecktype reactions using methyl esters as cross-coupling electrophiles”. Angew. Chem. Int. Ed., 58 (2019), 18159-18164.


[59] Medina, J. M.; Moreno, J.; Racine, S.; Du, S.; Garg, N. K. “Mizoroki-Heck cyclizations of amide derivatives for the introduction of quaternary centers”. Angew. Chem. Int. Ed., 56 (2017), 6567-6571. [60] (a) Walker, Jr. J. A.; Vickerman, K. L.; Humke, J. N.; Stanley, L. M. “Ni-catalyzed alkene carboacylation via amide C−N bond activation”. J. Am. Chem. Soc., 139 (2017), 10228-10231. (b) Kadam, A. A.; Metz, T. L.; Qian, Y.; Stanley, L. M. “Ni-catalyzed three-component alkene carboacylation initiated by amide C−N bond activation”. ACS Catal., 9 (2019), 5651-5656. [61] Zheng, Y.-L.; Xie, P.-P.; Daneshfar, O.; Houk, K. N.; Hong, X.; Newman, S. G. “Direct synthesis of ketones from methyl esters

by nickel-catalyzed Suzuki-Miyaura coupling”. Angew. Chem. Int. Ed., 60 (2021), 2-10. [62] Yue, H.; Zhu, C.; Rueping, M. “Catalytic ester to stannane functional group interconversion via decarbonylative cross-coupling of methyl esters”. Org. Lett., 20 (2018), 385-388. [63] Okita, T.; Muto, K.; Yamaguchi, J. “Decarbonylative methylation of aromatic esters by a nickel catalyst”. Org. Lett., 20 (2018), 3132-3135. [64] Iyori, Y.; Takahashi, K.; Yamazaki, K.; Ano, Y.; Chatani, N. “Nickel-catalyzed reductive defunctionalization of esters in the absence of an external reductant: Activation of C−O bonds”. Chem. Commun., 55 (2019), 13610-13613.

99


C. Odena

L. Talavera

R. Martin

Carlota Odena received her B.Sc. degree in Chemistry (2018) and her M.Sc. degree in Synthesis, Catalysis and Molecular Design (2019) from Universitat Rovira i Virgili (URV) and ICIQ, and wrote both her Bachelor’s degree and Master’s theses under the supervision of Prof. Mónica H. Pérez-Temprano at the Institut Català d’Investigació Química (ICIQ). In October 2019 she began her doctoral studies under the supervision of Prof. Ruben Martin at ICIQ, working on the synthesis of nickel complexes for mechanistic understandings. Laura Talavera received her B.Sc. degree in Chemistry (2015) from Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) and her M.Sc. degrees (2016 and 2017) from UAB and Esteve Química, S.A. She then moved to the United Kingdom to work as a scientist at Aptuit LLC. In October 2019, she joined Prof. Ruben Martin’s group at ICIQ, where her research is focused on the area of C−O bond-activation and catalytic functionalization of olefin feedstocks via functionalization of remote C−sp3 sites. Ruben Martin conducted his undergraduate studies at the Universitat de Barcelona (UB). He then received his PhD in 2003 from UB under the guidance of Prof. Antoni Riera. In 2004, he moved to the Max-Planck Institut für Kohlenforschung as a Humboldt postdoctoral fellow with Prof. Alois Fürstner. In 2005, he undertook further postdoctoral studies at MIT with Prof. Stephen L. Buchwald as an MEC-Fulbright fellow. In September 2008, he initiated his independent career as an assistant professor at the ICIQ (Tarragona). In July 2013, he was promoted to associate professor and subsequently to ICREA research professor. His research is focused on the development of new metal-catalyzed activation technologies of particularly strong s-bonds.

100


Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 20 (2021), p. 101-110 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853  DOI: 10.2436/20.2003.01.129 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Valorització de la colza com a adsorbent de metalls pesants en aigües residuals Valorization of rapeseed as an adsorbent for heavy metal removal from wastewaters Marina de la Cruz,1 Jingjing Zhao,1, 2 Eduard Villagrasa3 i Cristina Palet Ballús1 1 Universitat Autònoma de Barcelona. Facultat de Ciències. Departament de Química. Grup de Tècniques de Separació en Química (GTS-UAB) 2 Universitat de Shenzhen. Key Laboratory of Optoelectronic Devices and Systems. College of Physics and Optoelectronic Engineering 3 Universitat Autònoma de Barcelona. Facultat de Biociències. Departament de Genètica i Microbiologia

Resum: L’adsorció és una tècnica efectiva per a l’eliminació de contaminants a les aigües provinents d’activitats humanes i industrials. De fet, l’abocament de metalls pesants comporta un gran perill per al benestar humà. En aquest article, s’avaluen els mecanismes i l’eficàcia de l’adsorció de la colza per al crom(III), el cadmi(II), el coure(II) i el plom(II). També s’estudia el possible efecte dels microorganismes presents en el procés d’adsorció de la colza. Paraules clau: Adsorció, aigües residuals, colza, metalls pesants, microorganismes.

Abstract: Adsorption is an effective technique for the removal of pollutants from wastewaters produced by industrial and human activities. Indeed, the release of heavy metals poses a particularly hazardous problem to human welfare. In this article, the mechanisms and efficacy of adsorption of rapeseed straw are evaluated for Cr (III), Cd (II), Cu (II) and Pb(II). Additionally, the possible effect of any microorganisms present in the process of rapeseed adsorption has been studied. Keywords: Adsorption, wastewaters, rapeseed, heavy metals, microorganisms.

Introducció

E

Metalls pesants: efectes i perills ls metalls pesants són components naturals de la Terra que no poden ser degradats ni destruïts. En són exemples el mercuri (Hg), el cadmi (Cd), l’arsènic (As), el crom (Cr), el coure (Cu) i el plom (Pb), entre d’altres [1].

En petites concentracions, com a elements traça, alguns metalls pesants (per exemple, el coure, el seleni i el zinc) són essencials per a mantenir el metabolisme humà, així com el d’altres organismes vius. Per contra, a altes concentracions poden provocar diferents malalties i desordres. L’enverinament per metalls pesants es pot produir si es beu aigua contaminada, si es respira aire que en conté a altes concentracions a prop de les fonts emissores o si s’ingereixen a través de l’alimentació. Els metalls pesants són especialment perillosos perquè tenen un cert grau de toxicitat, no Correspondència: Cristina Palet Ballús Universitat Autònoma de Barcelona. Facultat de Ciències. Departament de Química. Grup de Tècniques de Separació en Química (GTS-UAB) 08193 Cerdanyola del Vallès Tel.: +34 935 813 475 A/e: cristina.palet@uab.cat

són biodegradables i tendeixen a bioacumular-se a l’organisme —‌és a dir, un cop ingerts, s’emmagatzemen a l’organisme més ràpidament del que són metabolitzats o excretats [2]. La contaminació i l’enverinament per metalls pesants es troben directament connectats amb la vida humana, majoritàriament, a través d’aigües residuals contaminades —‌sobretot, aigües residuals de les indústries, de les refineries i de les plantes de tractament de residus—, i, indirectament, a través dels contaminants que arriben a l’aigua procedents de la sedimentació i de l’atmosfera a causa de la pluja [1]. La seva toxicitat pot ocórrer a concentracions baixes, d’uns 1,00-10,0 mg/L. A la taula 1 es classifiquen els metalls pesants segons el seu grau de toxicitat [1]. Taula 1:  Classificació dels metalls pesants segons la seva toxicitat. Reproduït de [1]. Metalls pesants Fe, Mo, Mn

Toxicitat baixa

Zn, Ni, Cu, V, Co, W, Cr

mitjana

As, Ag, Sb, Cd, Hg, Pb, U

alta

Durant dècades, l’eliminació dels metalls pesants de les aigües residuals ha estat un focus d’atenció per a la recerca, ja que són una amenaça per a la salut i per al medi ambient. Actual-

101


ment, l’objectiu és eliminar-los abans que arribin als ecosistemes i les aigües. Des de l’inici i fins a l’actualitat, els tractaments més utilitzats per a l’eliminació de metalls pesants han estat la precipitació química [3], l’intercanvi iònic, la deposició electroquímica i diversos sistemes de filtració per membranes [1, 4]. Ara bé, totes aquestes tècniques tenen grans desavantatges, ja que són sistemes d’una certa complexitat, tenen un alt cost econòmic i energètic i, sobretot, no són sostenibles. És per això que la recerca s’ha centrat en processos basats en l’adsorció com una alternativa de baix cost i efectiva, especialment, amb materials sostenibles [1, 5, 6].

Procés d’adsorció

Els mecanismes per mitjà dels quals l’adsorció es duu a terme poden ser tant físics com químics. En els mecanismes físics només es produeixen interaccions entre un adsorbat i un adsorbent; en canvi, en l’adsorció per mecanismes químics es formen compostos iònics i un enllaç covalent. D’aquesta manera, el mecanisme físic sempre deriva a un procés reversible; per contra, en el mecanisme químic el procés pot ser tant reversible com irreversible, depenent dels enllaços que s’hagin format.

L’adsorció [1] consisteix en la transferència de substàncies presents en dissolucions generalment aquoses —‌els adsorbats— a una superfície sòlida —‌l’adsorbent—, de manera que l’adsorbat queda retingut al sòlid mitjançant interaccions físiques i/o químiques.

Els darrers anys s’han estudiat nous materials [5], sobretot diferents tipus de biomasses amb capacitat de retenir els metalls pesants. Per exemple, la clofolla dels cacauets [7], els bolets [8], les algues [9], restes dels conreus d’arròs [10], el blat de moro, la closca d’avellana, l’escorça de pi, el suro [11], així com la colza [12, 13, 14] —‌objectiu d’estudi principal d’aquest projecte.

Recentment, s’han desenvolupat i aplicat molts adsorbents de baix cost derivats de residus agrícoles i ramaders, de productes secundaris de la indústria, així com de certs materials i biopolímers naturals, per a l’eliminació de metalls pesants d’aigües residuals.

Procediment experimental

El procés d’adsorció es caracteritza per tres passos: 1.  Transport de l’agent contaminant de la matriu des de la dissolució fins a la superfície de l’adsorbent.

102

2.  Transport per difusió, de manera que l’adsorbat es desplaça per la capa de difusió de la superfície. 3.  Processos d’interacció en què l’adsorbat queda «atrapat» a la superfície de l’adsorbent.

Experiments d’adsorció Com a metalls d’estudi, s’escullen el Cr(III), el Cu(II), el Cd(II) i el Pb(II). Els experiments d’adsorció per a l’eliminació de metalls pesants en solucions aquoses duts a terme en aquest projecte amb la colza com a biomassa d’interès s’efectuen a

Figura 1.  Esquema del procés experimental d’adsorció. Elaboració pròpia.


temperatura ambient (22 ± 1 °C). A la figura 1 es mostra un esquema del procés experimental d’adsorció. En tots els experiments, es pesen aproximadament 25 mg de colza en tubs d’extracció de 5,0 mL i, posteriorment, s’afegeixen 2,5 mL de la solució de metall pesant corresponent (o bé de la solució mescla dels metalls objecte d’estudi) a una concentració determinada (inicialment, 0,18 mm). A continuació, aquests tubs s’agiten durant un temps determinat (depenent de l’experiment) en un agitador rotatori a 25 rpm. Un cop passat aquest temps, ambdues fases se separen per decantació i, seguidament, la fase líquida es filtra (emprant filtres de la casa Millipore de 0,22 μm de porositat).

Resultats experimentals L’espectre infraroig (ATR-FTIR) de la figura 2 mostra que la colza conté principalment grups funcionals polars, gràcies a la presència de la lignina, que forma part de l’estructura de les parets cel·lulars de la colza. Aquests grups polars eren els responsables de la capacitat d’intercanvi iònic de la biomassa en qüestió amb els ions metàl·lics en la dissolució aquosa inicial [15, 11].

Finalment, després del filtratge, s’analitzen les mostres per a saber quina concentració de metall resta a la solució aquosa. Així, mesurant la concentració inicial i la final es pot conèixer la quantitat adsorbida a l’adsorbent. Per a l’anàlisi de les mostres aquoses, s’empra un espectròmetre de masses per plasma d’acoblament inductiu (ICP-MS). La quantitat de metalls adsorbida per l’adsorbent es calcula com el percentatge d’adsorció, tal com indica l’expressió següent:

adsorció  %  

C

o

 Ce  Co

 100

(1)

Figura 2.  Espectre ATR-FTIR obtingut. S’observen els pics següents: 3 331 cm−1 (tensió –OH), 1 599 cm−1, 1 421 cm−1, 1 235 cm−1 i 1 022 cm−1 (flexió i tensió C=C, C–O dels grups aromàtics de la lignina), 3 200-3 270 cm−1 i 1 710-1 780 cm−1 (corresponents als grups OH i C=O dels grups carboxílics). Reproduït de [11].

L’adsorció dels metalls es pot representar de dues maneres: 2B− + Mn+n = Mn(B)n 2HB + Mn+n = Mn(B)n + 2H+

Respecte a la quantitat de metalls adsorbits en l’equilibri, es calcula com a capacitat de l’adsorbent emprant aquesta expressió:

qe 

C

o

 C e  V m

(2)

on qe (mmol/g) és la quantitat de metall pesant adsorbit en l’equilibri per unitat de massa d’adsorbent i anomenada capacitat; V (L) és el volum de la dissolució; Co (mmol/L) i Ce (mmol/L) són la concentració de metalls pesants inicial i en l’equilibri, respectivament, i m (g) és el pes sec de l’adsorbent. Es duen a terme dues rèpliques de tots els experiments, els resultats de les quals s’expressen com la mitjana entre ambdós valors, i es determina la desviació estàndard relativa de les rèpliques o RSD.

on B− i HB són els possibles grups polars a la superfície de la biomassa. Aquest tipus de reaccions són molt dependents del pH, la qual cosa suggereix que els ions metàl·lics són adsorbits per la biomassa a través dels grups carboxil (RCOOH), carbonil (RCOH) i hidroxil (ROH) [16].

Efecte del pH Com es pot observar a la taula 2, la colza presenta una bona capacitat d’adsorció en l’interval de pH de 3 a 5, en què, per a tots els metalls objecte d’estudi, el grau d’adsorció dels metalls presents en cada dissolució inicial és superior al 80 %.

103


Taula 2.  Percentatge d’adsorció dels diversos metalls a cada pH dins l’interval d’estudi de pH 2 a 6 amb dissolucions individuals de metalls. Elaboració pròpia. pH

Adsorció (%) Cr

+3

Cu

Cd

Pb

2

58,0

70,0

28,8

99,0

3

92,9

83,4

85,8

99,5

4

88,3

82,7

88,0

99,5

5

90,0

82,4

88,2

99,4

6

42,0

50,7

92,7

98,0

Cal destacar que als extrems, tant a pH 2 com a pH 6, es presenten els valors més baixos per a tots els metalls excepte per al Cd, en què el valor màxim es troba a pH 6 amb un 93 %, aproximadament, i el valor mínim, a pH 2, amb un 29 % d’adsorció. De la mateixa manera, s’observa una adsorció estable del Pb per a tots els valors de pH. Segons els resultats obtinguts, en l’interval de pH de 3 a 5, la seqüència d’adsorció per a la colza és: Pb(II) > Cr(III) > Cd(II) > Cu(II). A nivells baixos de pH, l’adsorbent presenta els possibles grups funcionals que han d’interaccionar amb els ions metàl·lics en forma àcida o protonada; principalment, amb els protons del medi. La concentració de protons (catió hidroni) relativament elevada crea forces de repulsió electrostàtiques amb els cations dels metalls pesants; concretament, els grups carboxílics de l’estructura de la lignina presents a la colza [16] són uns dels responsables d’aquesta interacció amb els ions metàl·lics.

104

Com que el valor de la constant d’acidesa varia entre 4 i 5, a pH inferiors el grup carboxílic reté els seus protons i, aleshores, es redueix la possibilitat d’interacció amb qualsevol catió del medi. A valors de pH més alts, els lligands carboxilats inter­ accionen efectivament amb les càrregues positives dels cations; ara bé, un medi massa alcalí dificulta l’adsorció, ja que els metalls pesants en dissolució precipiten en forma d’hidròxids (vegeu els diagrames de distribució d’espècies dels metalls en funció del pH) [6, 17].

Concentració inicial de metall Tot seguit s’estudia l’efecte de la concentració inicial de metall pesant, tant per a sistemes múltiples (tots els metalls d’estudi) com per a sistemes individuals. Els resultats de cada sistema es recullen a la figura 3, on es pot veure que, tant en la mescla de metalls (figura 3a) com en els sistemes individuals (figura 3b), la capacitat d’adsorció augmenta a mesura que s’incrementa la concentració inicial fins a arribar a una situació d’equilibri. A concentracions baixes, la quantitat de punts actius a la superfície de l’adsorbent és prou alta, de manera que els metalls objecte d’estudi no presenten cap dificultat a l’hora d’interaccionar amb l’adsorbent i ocupar aquests punts, amb la qual cosa n’és possible l’eliminació del medi aquós. Ara bé, un cop comença a incrementar la concentració de l’adsorbat a la dissolució, aquesta facilitat d’interacció adsorbat-adsorbent va decreixent, ja que els punts d’adsorció no són suficients per a adsorbir tota la quantitat de metalls en dissolu-

Figura 3.  Influència de la concentració inicial de metall en la capacitat d’adsorció de la colza en a) el sistema múltiple (Cr, Cu, Pb i Cd) i b) els sistemes individuals dels mateixos metalls pesants. Les condicions d’adsorció són: quantitat d’adsorbent, 25 mg; pH = 4; T = 22 ± 1 °C, i temps de contacte, 24 h. Elaboració pròpia.


ció. Així, s’observa que la capacitat d’adsorció de la colza arriba a un valor màxim allà on se saturen els punts actius de la superfície. En el cas dels sistemes múltiples s’esdevé un procés d’adsorció competitiva, en què, segons l’afinitat que tingui l’adsorbent per cada adsorbat present en el sistema múltiple, serà més o menys fàcil que aquest adsorbat interaccioni amb els punts actius de l’adsorbent. Per tant, la competència serà més gran com més concentració inicial de cada metall hi hagi. Per aquesta raó, tal com mostra la figura 3b, la capacitat d’adsorció de la colza per al Cd(II) és força baixa en relació amb els altres metalls, fet que suggereix que el Cd(II) té menys afinitat pels grups carboxílics de la colza que la resta de metalls, especialment quan s’arriba a altes concentracions de tots ells.

Modelització de la cinètica i la isoterma del procés d’adsorció L’estudi de la cinètica del procés d’adsorció i l’ajust a les isotermes permeten determinar l’eficàcia del procés d’adsorció, com també, els seus paràmetres principals [1, 18].

Figura 5.  Efecte del temps en el procés d’adsorció dels metalls pesants en un sistema múltiple emprant la colza com a adsorbent. Les condicions d’adsorció són: quantitat d’adsorbent, 25 mg; pH = 4; T = 22 ± 1 °C; temps de contacte, 24 h, i concentració inicial de cada metall, 0,18 mm. Elaboració pròpia.

Figura 4.  Percentatge d’adsorció de cada metall en el sistema múltiple (Cr, Cu, Cd, Pb) en funció de la concentració inicial. Les condicions d’adsorció són: quantitat d’adsorbent, 25 mg; pH = 4; T = 22 ± 1 °C, i temps de contacte, 24 h. Elaboració pròpia.

Aquest comportament també es pot observar a la figura 4, on es representa el percentatge d’adsorció dels metalls en el sistema múltiple. A concentracions inicials baixes de tots els metalls pesants objecte d’estudi, el percentatge d’adsorció és força similar entre ells, i, a mesura que se n’augmenta la concentració inicial a la dissolució aquosa, la diferència en el percentatge d’adsorció entre metalls és cada cop més visible. El decreixement més gran s’observa per al Cd(II). També es pot veure que la colza presenta més afinitat pel Pb(II), ja que és el metall amb els valors més alts en el percentatge d’adsorció tant en el sistema aïllat com en el múltiple, probablement, perquè té més afinitat pels grups carboxílics presents a la colza, els quals —‌com ja s’ha esmentat— són els grups funcionals majoritaris i als quals s’atribueix el rol principal en aquests processos.

Com es pot observar a la figura 5, on es recullen els percentatges d’adsorció en un interval de temps de 5-360 min per al sistema múltiple, els resultats obtinguts mostren que la colza presenta un procés d’adsorció inicialment ràpid (arriba a l’equilibri al cap de 5 minuts) i amb un percentatge per sobre del 80 % per a tots els metalls. Per tant, l’adsorció de metalls pesants per part de la colza és un procés efectiu i ràpid. Això ens fa pensar que la colza es pot emprar com a adsorbent per a l’eliminació d’aquests metalls pesants en aigües residuals, i amb uns resultats esperats prou bons per a la seva aplicació, si més no inicialment, a escala semipilot. Els models cinètics emprats per a analitzar els resultats experimentals obtinguts han estat: pseudoprimer ordre, pseudosegon ordre, Elovich i difusió intrapartícula. Si ens fixem en els valors del coeficient de correlació R 2 recollits a la taula 3, s’observa que els resultats experimentals s’ajusten als tres models cinètics de pseudoprimer ordre, pseudosegon ordre i Elovich. Per als tres models en qüestió, tenim que R 2 > 0,93. Entre aquests, els valors més alts corresponen al model de pseudosegon ordre, tots per sobre de 0,98. En canvi, els coeficients de correlació obtinguts mitjançant el

105


Taula 3.  Paràmetres obtinguts corresponents als diferents models cinètics, als quals es miren d’ajustar les dades experimentals, per al sistema múltiple, mitjançant el procés d’adsorció de la colza. Elaboració pròpia. Model cinètic

Paràmetres

Cr(III)

Cu(II)

Cd(II)

Pb(II)

0,624

0,663

0,543

0,845

0,0097

0,0097

0,0094

0,014

0,9429

0,9524

0,9737

0,9520

322

419

207

746

0,0098

0,0098

0,0096

0,014

R2

0,9997

0,9987

0,9862

0,9999

a

7153

11970

6306

8527

b

3,06 × 1024

7,04 × 1044

1,39 × 1020

5,56 × 1044

R2

0,9882

0,9349

0,9830

0,9731

K

3,17 × 10–5

1,03 × 10–5

2,04 × 10–5

5,68 × 10–6

C

0,0090

0,0096

0,0092

0,014

R2

0,4746

0,2468

0,2841

0,4502

k1 (g/mmol/min) Pseudoprimer ordre

q1 (mmol/g) R2 k2 (g/mmol/min)

Pseudosegon ordre

q2 (mmol/g)

Elovich

Difusió intrapartícula

model de difusió intrapartícula per a cada metall de la mescla (tots per sota de 0,50) suggereixen que la cinètica del procés no s’ajusta correctament a aquest model. El fet que no s’hi ajusti suggereix que el procés d’adsorció no es troba controlat per la velocitat de difusió dels adsorbats dins la matriu de la colza, fet descrit pel model intrapartícula [18]. Així doncs, el model de pseudosegon ordre, al qual s’ajusten millor les dades experimentals, indica que l’etapa determinant del procés d’adsorció implica un procés de quimioadsorció i que l’eliminació de l’adsorbat d’una dissolució és causada per interaccions fisicoquímiques entre les dues fases (la fase de l’adsorbat és un sòlid i la fase líquida correspon a la dissolució aquosa de la mescla de metalls pesants que s’estudien). De la mateixa manera, el bon ajust al model d’Elovich suggereix que, a mesura que els punts d’interacció de la colza es van saturant, l’adsorció decreix, fet que confirma un procés de quimioadsorció [18].

106

D’altra banda, per a modelar les isotermes del procés d’adsorció, es tenen en compte els resultats dels experiments d’adsorció respecte a la concentració de metalls pesants en les dissolucions individuals. S’utilitzen el model de Freundlich i el de Langmuir.

A la taula 4 es representen els paràmetres de Freundlich i de Langmuir per als metalls d’estudi en sistemes individuals (d’un sol component). Si ens fixem en els valors del coeficient de correlació, es pot observar que els valors experimentals s’ajusten millor al model de Langmuir que al de Freundlich, ja que en general s’hi obtenen valors per sobre de 0,93. En canvi, el model de Freundlich reporta valors molt baixos de correlació i, per tant, es considera que no és adequat per a descriure aquest procés d’adsorció emprant la colza com a adsorbent del plom, del crom i del coure. Aquest comportament suggereix que els ions metàl·lics en qüestió s’adsorbeixen i formen una monocapa a la superfície de la colza, com explica el model de Langmuir [15].

Taula 4.  Paràmetres corresponents als models de Freundlich i Langmuir als quals es miren d’ajustar les dades experimentals, per als sistemes individuals, mitjançant el procés d’adsorció de la colza. Elaboració pròpia. Metalls

Model de Freundlich

Model de Langmuir

Kf (×10 )

n

R

Cr(III)

15,7

0,392

Cu(II)

14,4

Pb(II)

25,0

2

qmàx (×102)

b

R2

0,7958

11,2

21,0

0,9386

0,303

0,6568

16,5

11,1

0,9468

0,292

0,9208

21,0

40,4

0,9792

2


Possible efecte dels microorganismes Per tal de determinar la influència dels microorganismes presents a la biomassa de la colza emprada, es procedeix a aïllar-­ los i identificar-los, seguint el procediment descrit a la literatura (es realitza en col·laboració amb el grup de recerca del Departament de Microbiologia de la UAB, sota la supervisió del doctor Eduard Villagrasa [19]). Es determina la presència a la colza dels tres microorganismes següents: Escherichia coli, soques L01 i L02 (número d’accés: MK940239 i MK937745); Staphylococcus epidermis, soca L03 (número d’accés: MK942713), i Micrococcus luteus, soca L04 (número d’accés: MK942714) [19, 20]. Per a veure’n l’efecte, es realitza l’adsorció a 24 h per a diferents concentracions inicials del sistema múltiple, amb dos materials de colza diferenciats (un s’ha esterilitzat i l’altre, no). La colza s’esterilitza mitjançant una autoclau, procediment habitual per a eliminar microorganismes de diferents sistemes [19]. Per tant, en el primer cas la colza esterilitzada es trobarà lliure de microorganismes que puguin intervenir en el procés d’adsorció.

Figura 7.  Percentatge d’adsorció de Pb(II) per a cada microorganisme aïllat (L01-L02, L03 i L04) i per a la unió de tots tres (anomenat MIX). Elaboració pròpia.

De la mateixa manera, s’avalua si els diferents microorganismes, un cop aïllats de la colza, són capaços o no d’adsorbir els metalls pesants d’estudi. Per tant, es prepara l’experiment d’adsorció d’aquests metalls pesants. Com a adsorbent, en aquest cas, s’empren els microorganismes individuals i, també, una mescla de tots ells (treballant en grup, que anomenem MIX) en la dissolució aquosa. Els resultats obtinguts es mostren a la figura 7, on només es recullen valors de percentatge d’adsorció de plom, atès que els microorganismes van ser significativament sensibles al Pb(II). Aquesta contribució dels microorganismes podria estar relacionada també amb la major adsorció de Pb(II) per part de la colza sense esterilitzar, a banda de tenir una afinitat més alta pels grups actius de la colza a causa dels grups carboxílics, com ja s’ha esmentat.

Figura 6.  Percentatge d’adsorció de la colza, en un sistema múltiple, segons si aquesta s’ha esterilitzat (abreujat acl., de autoclavatge) o no. Elaboració pròpia.

Conclusions

Els resultats obtinguts de l’experiment no segueixen una tendència clara, com es pot veure a la figura 6, ja que l’absència o la presència dels microorganismes no té un efecte significatiu en el procés d’adsorció. A més a més, no s’observa el mateix efecte en totes les concentracions inicials dels metalls; per exemple, a concentracions més altes, sembla que hi ha un factor de competència per l’adsorció entre els metalls, com ja s’havia comentat prèviament. Dels resultats experimentals obtinguts, no es pot precisar fins a quin punt el fet que hi hagi microorganismes a la colza afavoreix significativament l’adsorció de metalls pesants, si bé tampoc no se’n deriva cap efecte negatiu. D’altra banda, sí que s’observa en la majoria dels casos que la presència dels microorganismes té un efecte lleugerament positiu en el procés d’adsorció.

L’objectiu principal d’aquest projecte fou, inicialment, avaluar l’ús per primer cop dels residus del conreu de la colza com a biomassa per a l’adsorció de metalls pesants. Es volia determinar si aquest residu de la indústria de l’oli (sobretot, de la indústria xinesa) pot ser una nova alternativa, més efectiva i ecològica, per a la neteja d’aigües contaminades. Posteriorment, s’ha considerat important estudiar el paper dels microorganismes presents en els residus del conreu de la colza (durant l’emmagatzematge d’aquest material) per a determinar si cal eliminar-los o no prèviament al seu ús com a adsorbent. Després de caracteritzar físicament i químicament la colza (en primer lloc, comprovant la morfologia de la seva superfície; seguidament, estudiant l’efecte del pH i la concentració ini-

107


cial de metalls pesants de les dissolucions aquoses, i, finalment, desenvolupant l’estudi cinètic i les isotermes del procés), es conclou que la colza és efectivament una alternativa com a adsorbent de metalls pesants en aigües residuals contaminades, ja que presenta un procés força favorable per als quatre metalls d’estudi (plom, crom, coure i cadmi), efectiu i ràpid, i amb una bona capacitat d’adsorció. D’altra banda, els microorganismes presents a la colza no dificulten en cap cas el procés d’adsorció dels metalls; més aviat al contrari: tot i que amb un efecte no gaire significatiu, s’observen resultats lleugerament superiors, sobretot per al Pb(II), en què s’ha comprovat que els microorganismes aïllats, individualment o en grup, adsorbeixen aquest metall en dissolució. En conseqüència, cal esperar que la colza es pugui implementar com a biomassa en processos d’adsorció de metalls pesants (sobretot, per a eliminar-los d’aigües residuals contaminades) i, per tant, com a sistema de descontaminació, sense que calgui dur a terme cap tractament previ per a eliminar-ne els microorganismes presents. D’aquesta manera, mitjançant la reutilització d’un residu, com és el del conreu de la colza (emprat en gran abundància per una certa part de les indústries de l’oli, principalment a la Xina), s’obté un recurs de valor afegit.

Referències i altres fonts

108

[1]  Zhang, H. Biosorption of heavy metals from aqueous solutions using keratin biomaterials. Tesi doctoral. Bellaterra: Universitat Autònoma de Barcelona, 2014. [2]  Lenntech, B. V. Heavy metals [en línia]. <http://www.lenn tech.com/processes/heavy/heavy-metals/heavy-metals.htm> [Consulta: 8 abril 2019]. [3]  Wang, L. K.; Vaccari, D. A.; Li, Y.; Shammas, N. K. «Chemical precipitation». A: Wang, L. K.; Hung, Y. T.; Shammas, N. K. (ed.). Physicochemical treatment processes. New Jersey: Humana Press, 2005, p. 141-197. (Handbook of Environmental Engineering; 3) ISBN-13: 978-1588291653. [4]  Guerrero, L.; Sanz, J. (Vivendi Water Systems). Nanofiltración aplicada a la eliminación de compuestos orgánicos de aguas superficiales con destino a consumo humano [en línia]. <https://studylib.es/doc/7813229/nanofiltraci%C3%B3n -aplicada-a-la-eliminaci%C3%B3n-de-compuestos-or...> [Consulta: 7 juny 2019]. [5]  Barakat, M. A. «New trends in removing heavy metals from industrial wastewater». Arabian Journal of Chemistry [en línia],

4 (4) (2011), p. 361-377. <https://doi.org/10.1016/ j.arabjc.2010.07.019>. [6]  Ayres, D. M.; David, A. P.; Gietka, P. M. «Removing heavy metals from wastewater». Engineering Research Center Report [en línia] (agost 1994). <http://www.appliedmechtech.com/ wp-content/uploads/2016/08/Metal-Precip-Explained -University-of-Maryland.pdf> [Consulta: 15 juny 2019]. [7]  Abdelfattah, I. [et al.]. «Biosorption of heavy metals ions in real industrial wastewater using peanut husk as efficient and cost effective adsorbent». Environmental Nanotechnology Monitoring and Management [en línia], 6 (2016), p. 176-183. <https://doi.org/10.1016/j.enmm.2016.10.007>. [8]  Kariuki, Z. [et al.]. «Biosorption studies of lead and copper using rogers mushroom biomass Lepiota hystrix». South African Journal of Chemical Engineering [en línia], 23 (2017), p. 62-70. <https://doi.org/10.1016/j.sajce.2017.02.001>. [9]  Carsky, M.; Mbhele, F. N. «Adsorption of heavy metals using marine algae». South African Journal of Chemical Engineering [en línia], 18 (2) (2013), p. 40-51. <https://journals.co.za/doi/ pdf/10.10520/EJC151787>. [10]  Al-Baidhani, J. H.; Al-Salihy, S. T. «Removal of heavy metals from aqueous solutions by using low cost rice husk in batch and continuous fluidized experiments». International Journal of Chemical Engineering and Applications [en línia], 7 (1) (2016), p. 6-10. <https://doi.org/10.7763/ijcea.2016.v7. 532>. [11]  Zhao, J.; Shen, X.-J.; Doménec, X.; Alcañiz, J. M.; Liao, X.; Palet, C. «Comparison of biochars derived from different types of feedstock and their potential for heavy metal removal in multiple-metal solutions». Scientific Reports [en línia], 9 (1) (2019), p. 9869. <https://doi.org/10.1038/s41598-019 -46234-4>. [12]  Balarak, D. [et al.]. «The use of low-cost adsorbent (canola residues) for the adsorption of methylene blue from aqueous solution: Isotherm, kinetic and thermodynamic studies». Colloids and Interface Science Communications [en línia], 7 (2015), p. 16-19. <https://doi.org/10.1016/ j.colcom.2015.11.004>. [13]  Al-Asheh, S.; Duvnjak, Z. «Sorption of heavy metals by canola meal». Water, Air, and Soil Pollution [en línia], 114 (1999), p. 251-276. <https://doi.org/10.1023/A:10050938 21620>. [14]  Al-Asheh, S.; Duvnjak, Z. «Adsorption of copper by canola meal». Journal of Hazardous Materials [en línia], 48 (1-3) (1996), p. 83-93. <https://doi.org/10.1016/0304-3894(95) 00141-7>.


[15]  Zhao, J. Valorization and reuse of waste modified biomass. Heavy metal biosorption removal from aqueous solutions. Tesi doctoral. Bellaterra: Universitat Autònoma de Barcelona, 2019. [16]  Horsfall, M. «Studies on the effect of pH on sorption of Pb+2 and Cd+2 ions from aqueous solutions by Caladium bicolor (Wild Cocoyam) biomass». Electronic Journal of Biotech­ nology [en línia], 7 (3) (desembre 2004). <http://www.bioline. org.br/pdf?ej04036>. [Consulta: juny del 2019]. [17]  Arribas Jimeno, S.; Hernández Méndez, J.; Lucena Conde, F.; Burriel Martí, F. Química analítica cualitativa. Madrid: Paraninfo, 2002. ISBN: 9788497321402. [18]  Robati, D. «Pseudo-second-order kinetic equations for modeling adsorption systems for removal of lead ions using

multi-walled carbon nanotube». Journal of Nanostructure in Chemistry [en línia], 3 (55) (2013). <https://doi.org/10.1186/ 2193-8865-3-55>. [19]  Villagrasa, E.; Palet, C.; López-Gómez, I.; Gutiérrez, D.; Esteve, I.; Sánchez-Chardi, A.; Solé, A. «Cellular strategies against met­ als exposure and metal localization patterns linked to phosphorus in Ochrobactrum anthropi DE2010». Journal of Haz­ ardous Materials [en línia], 402 (2021), p. 123808. <https:// doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.123808>. [20]  Shen, X.-J.; Zhao, J.; Bonet-Garcia, N.; Villagrasa, E.; Solé, A.; Liao, X.; Palet, C. Insights of microorganisms role in rice and rapeseed wastes as potential sorbents for metal removal. [Presentat el 2021, pendent de publicació]

109


M. de la Cruz

J. Zhao

E. Villagrasa

C. Palet

Marina de la Cruz va néixer a Mollet del Vallès. Es va graduar en química per la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) l’any 2020. Guanyadora del Premi de Recerca Jove 2015 pel treball Simulem la química interestel·lar, realitzat en col·laboració amb el Programa Argó (UAB), i del Premi de la Societat Catalana de Química pel treball Valorització de la canola com a biosorbent de metalls pesants en aigües, actualment segueix la seva carrera professional en l’àmbit privat farmacèutic. Jingjing Zhao va néixer a la Xina. Es va doctorar en química el 2019 a la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB). Actualment treballa a la Universitat de Shenzhen (SZU), a la Xina. El seu àmbit de recerca principal inclou l’adsorció de metalls pesants per mitjà de biomasses o biomasses modificades, i el desenvolupament de biosensors basats en la identificació per radiofreqüència per al monitoratge de la glucosa. Eduard Villagrasa va néixer a Sant Vicenç de Castellet. Es va llicenciar en biologia per la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), on va obtenir el doctorat de microbiologia al Departament de Genètica i Microbiologia l’any 2021. La seva recerca s’ha centrat a aïllar microorganismes de l’ambient natural amb capacitat per a tolerar i, alhora, acumular metalls pesants. Cristina Palet Ballús va néixer a Terrassa. Es va llicenciar en química per la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), on va obtenir el doctorat al Departament de Química l’any 1994. Actualment és professora titular de la UAB i el seu àmbit de recerca són les tècniques de separació, aplicades a la identificació i la separació d’espècies contaminants, emprant diversos tipus de materials (cromatogràfics, membranes i/o biomassa/biocarbó modificats amb sistemes de nanopartícules).

110


Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 20 (2021), p. 111-118 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853  DOI: 10.2436/20.2003.01.130 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Celebrem el Premi Nobel de Química 2020. Les eines CRISPR-Cas d’edició genètica Celebrating the Nobel Prize in Chemistry 2020. CRISPR-Cas genome editing tools Lluís Montoliu Centro Nacional de Biotecnología (CNB-CSIC), Madrid Centro de Investigación Biomédica en Red de Enfermedades Raras del Instituto de Salud Carlos III (CIBERER-ISCIII), Madrid

Resum: A principis del mes d’octubre passat, la Reial Acadèmia Sueca de les Ciències va decidir atorgar el Premi Nobel de Química 2020 a dues investigadores: la francesa Emmanuelle Charpentier i la nord-americana Jennifer Doudna, per haver desenvolupat un mètode d’edició genètica. No va caldre res més. Tota la comunitat científica va saber que es premiaven les eines CRISPR-Cas, derivades de sistemes de procariotes que, amb el mateix nom, havien estat descrits per Francis Mojica, un investigador de la Universitat d’Alacant que també fou qui proposà aquest acrònim que ja ha fet fortuna: CRISPR. Paraules clau: Edició genètica, edició genòmica, edició gènica, CRISPR-Cas9, nucleases, teràpia gènica.

Abstract: In early October of last year, the Swedish Academy of Sciences awarded the 2020 Nobel Prize in Chemistry to two scientists, the French researcher Emmanuelle Charpentier and the American biochemist Jennifer Doudna, for the development of a genome editing method. The whole scientific community immediately understood that the prize was being granted for the CRISPR-Cas tools, derived from prokaryotic systems which, under the same name, had been described by a researcher at the University of Alicante, Francis Mojica, who also coined the now famous acronym CRISPR. Keywords: Genetic editing, genome editing, gene editing, CRISPR-Cas9, nucleases, gene therapy.

Introducció

E

l Premi Nobel de Química 2020 va recaure en dues investigadores, Emmanuelle Charpentier i Jennifer Doudna, per haver desenvolupat un mètode d’edició genètica. El fet que la Reial Acadèmia Sueca de les Ciències destaqués l’article un (en lloc del determinat el) ja fa pensar que el mètode CRISPR-Cas premiat no era l’únic que coneixíem. Efectivament, abans de les eines CRISPR-Cas van sorgir les meganucleases de llevat, les nucleases associades a dominis de dits de zenc (ZFN) i les anomenades TALEN (derivades de bacteris patògens de plantes) [1]. Per tant, la precisió que es tractava d’un i no del mètode d’edició genètica era ben oportuna. Aquestes dues investigadores, de carreres professionals molt diferents, compartien, però, l’interès per la biologia dels RNA i van coincidir per primera vegada l’any 2011 en una reunió internacional de microbiologia a Puerto Rico, on van decidir començar a col·laborar. El resultat no va trigar massa a concretar-­ Correspondència: Lluís Montoliu Centro Nacional de Biotecnología (CNB-CSIC) Campus de Cantoblanco. C. Darwin, 3. 28049 Madrid Tel.: +34 915 854 844 A/e: montoliu@cnb.csic.es

se i el mes de juny de l’any següent, el 2012, van publicar l’únic treball experimental que les va portar, vuit anys després a Estocolm, a recollir el merescut Premi Nobel de Química. En efecte, l’article publicat a la revista Science va ser disruptiu en molts sentits, pel fet de proposar que uns sistemes de defensa que utilitzen els organismes procariotes, els bacteris i els arqueus, per a defensar-se dels bacteriòfags —‌els virus que els infecten—, també podrien servir per a promoure l’edició de qualsevol gen en qualsevol altre organisme [2]. En aquest treball, les investigadores i els seus equips respectius descrivien els components d’un d’aquests sistemes CRISPR-Cas, derivat del bacteri patogen Streptococcus pyogenes, que habitualment causa otitis i laringitis. El sistema no podia ser més senzill: un enzim endonucleasa anomenat Cas9 i dues petites molècules d’RNA, l’una per a aparellar-se amb el gen diana que es vol editar (RNAcr, o crRNA en anglès) i l’altra accessòria però igualment important, que s’aparella amb la primera i es lliga a la proteïna Cas9 (RNAtracr, o tracrRNA en anglès). Charpentier i Doudna van anar més enllà en aquest article premonitori ja que suggerien que les dues petites molècules d’RNA es podien combinar i fusionar, constituint el que van anomenar RNA guia sintètic (RNAgs, o sgRNA en anglès) [2]. Aquest article no demostrava que es poguessin fer servir els sistemes CRISPR-Cas com a eines d’edició genètica, només ho

111


apuntava, però va ser suficient per a capgirar la comunitat científica biomèdica, que va posar tota la maquinària a treballar i, set mesos després, el mes de gener de 2013, dos treballs publicats, també a la revista Science, pels laboratoris de Feng Zhang [3] i George Church [4] van demostrar que la proposta de Charpentier i Doudna era certa, que es podien editar gens en cèl·lules humanes i de ratolí, i aleshores va començar la revolució, que encara continua.

Els orígens de la tecnologia CRISPR L’entrada de la microbiòloga francesa Emmanuelle Charpentier al camp de les CRISPR s’havia produït l’any 2011, quan va descriure precisament l’existència de la segona petita molècula d’RNA que tenien alguns sistemes CRISPR, l’RNAtracr [5]. Per contra, la bioquímica Jennifer Doudna ja feia uns quants anys que havia començat a acostar-se als sistemes CRISPR i havia pogut cristal·litzar i deduir l’estructura de diverses proteïnes relacionades amb aquest curiós sistema de defensa adaptatiu que feien servir els procariotes [6]. El mecanisme funcional dels sistemes CRISPR-Cas no podia ser més simple. La guia d’RNA buscava la seqüència de DNA complementària en el genoma per editar i arrossegava la nucleasa Cas9 per a tallar en un lloc precís les dues cadenes de DNA. Aquest tall havia de ser reparat immediatament per la cèl·lula aprofitant algun dels sistemes de reparació endògens que tenim tots els éssers vius. D’una banda, un sistema ràpid però molt poc respectuós amb la seqüència original de DNA, que progressava afegint i esborrant nucleòtids (INDEL) fins a arribar a generar alguna microhomologia que permetés restablir la continuïtat del cromosoma (NHEJ), i de l’altra, un sistema de reparació dirigit per homologia si introduïm dins de la reacció un motlle de DNA complementari als dos costats del lloc de tall que es pogués fer servir per a restaurar la continuïtat del genoma [7].

112

Mitjançant aquestes dues rutes de reparació era possible virtualment modificar —‌editar— qualsevol gen de qualsevol genoma de qualsevol espècie, animal o vegetal, també de llevats i d’altres bacteris. Les aplicacions que es podien derivar de l’ús d’aquestes eines CRISPR-Cas depassaven el camp de la biologia per endinsar-se en la biomedicina i la biotecnologia [8, 9].

Però, quin era l’origen d’aquestes meravelloses eines CRISPR-­ Cas que havien revolucionat els laboratoris de biologia molecular de tot el món? Calia buscar-lo a Alacant, a les salines de Santa Pola, d’on es va aïllar l’arqueobacteri Haloferax mediterranei, l’organisme amb el qual va fer la tesi doctoral Francis Mojica, microbiòleg de la Universitat d’Alacant. F. Mojica va descobrir unes curioses repeticions al genoma d’aquest procariota, que tenien una estructura regular —‌és a dir, mantenien un patró [10]. Aquestes mateixes repeticions, i els espaiadors entre elles, les va continuar trobant en altres procariotes, fins que va decidir anomenar-les adientment, per posar ordre al camp, i establí l’acrònim CRISPR (clustered regularly inter­ spaced short palindromic repeats, ‘repeticions curtes palindròmiques agrupades i regularment espaiades’) per a identificar-­ les [11]. Analitzant moltes d’aquestes seqüències CRISPR, va acabar descobrint que els espaiadors existents entre repeticions consecutives en realitat eren fragments de genomes de virus invasors, i que, quan això passava, el bacteri o l’arqueu eren resistents a la infecció per aquest virus. Havia descobert un veritable sistema immunitari en el món procariota, de tipus adaptatiu i de fonament genètic, que s’heretava entre generacions. F. Mojica fou el primer a adonar-se de la funció d’aquests sistemes CRISPR-Cas com a veritables sistemes de defensa [12]. Les contribucions de Mojica per a caracteritzar els sistemes CRISPR-Cas van continuar. L’any 2009 va descriure una seqüència de DNA que sempre estava al costat de la guia d’RNA (però no la contenia) i que era la que permetia a la nucleasa Cas9 decidir si tallava o no. Aquesta seqüència senyal la va anomenar PAM (protospacer adjacent motif, ‘motiu adjacent al protoespaiador’) i és una de les restriccions i limitacions biològiques que ens recorda que els sistemes CRISPR-Cas tenen una raó de ser, que l’evolució els ha anat polint per a discriminar entre el DNA del virus invasor (que és el que conté la PAM) i el propi DNA del bacteri (que no conté la PAM), i evitar així que la nucleasa Cas9 s’activi contra el mateix bacteri [13]. Els experiments pioners de Mojica, junt amb els de molts altres laboratoris destacats, van permetre investigar i determinar tots els components dels sistemes CRISPR-Cas fins a arribar, vint anys després, a l’article de Charpentier i Doudna [2]. Són molts els investigadors que van contribuir decisivament en aquesta tasca, i que haurien pogut acompanyar les dues investigadores en el seu Premi Nobel, però finalment no va ser així. És important, però, conèixer els esdeveniments històrics i


les dates i les persones clau que van permetre, amb els seus treballs, fer avançar aquesta tecnologia [14]. Entre els microbiòlegs que van col·laborar en aquesta gran fita destaca també Virginijus Siknsnys, de la Universitat de Vílnius (Lituània), que va arribar a la mateixa conclusió que les investigadores Charpentier i Doudna, sobre la possibilitat que els sistemes CRISPR-Cas es convertissin en eines d’edició genètica, si bé el seu article va aparèixer publicat tres mesos després i tota la glòria va recaure sobre les dues investigadores [15]. Alguns dels investigadors destacats de l’univers CRISPR han aprofitat per a fundar empreses del ram, i per a desenvolupar eines i solucions terapèutiques aplicades al tractament de malalties humanes de base genètica. És el cas, entre molts d’altres, de l’investigador Feng Zhang, vinculat a Editas Medicine; de Jennifer Doudna, amb Caribou Biosciences, i d’Emmanuelle Charpentier, amb CRISPR Therapeutics and ERS Genomics.

Tipus i aplicacions de les eines CRISPR-Cas Les aplicacions de les eines CRISPR-Cas són gairebé infinites. Es poden fer servir per a inactivar gens; per a eliminar fragments genòmics amb precisió; per a invertir-los, duplicar-los o reorganitzar-los; per a introduir-hi mutacions puntuals, o per a introduir gens nous o qualsevol altra modificació genètica que es vulgui. La inactivació de gens és potser la funció més simple i directa d’aquestes eines CRISPR-Cas, ja que tan sols cal un d’aquests complexos dirigit contra la seqüència diana del genoma que es vol alterar. I això es pot multiplicar només augmentant el nombre de guies d’RNA que es facin servir. La mateixa nucleasa Cas9 s’unirà a cadascuna de les guies i dirigirà la inactivació de cadascun dels gens complementaris. Potser l’exemple més evident d’aquesta capacitat de mutació múltiple es troba en la publicació d’un estudi encaminat a descobrir antídots contra el verí d’una medusa a Austràlia. Els investigadors van inactivar tots els gens de cèl·lules humanes en cultiu (un gen a cada cèl·lula): el verí va matar la majoria de les cèl·lules tret d’aquelles on el gen inactivat inhabilitava l’acció del verí, fet que obria la porta al descobriment dels corresponents antídots [16].

L’ús de dos sistemes CRISPR-Cas en cis, sobre la mateixa molècula de DNA, afavoreix que els sistemes de reparació s’equivoquin i uneixin els extrems exteriors, de manera que eliminen les seqüències internes; és a dir, provoquen una deleció. La facilitat amb la qual es poden generar delecions ha servit per a valorar la rellevància funcional dels elements reguladors que controlen l’expressió dels gens [17, 18] o per a eliminar un fragment d’un gen que inclou una mutació, tal com diversos equips van demostrar, amb gran èxit, en un model de ratolí amb distròfia muscular de Duchenne [19]. La inactivació de l’activitat nucleasa de la Cas9 va suposar una innovació tecnològica, ja que es creà la Cas9 morta (dCas9, de l’anglès dead Cas9), fet que permet combinar la dCas9 amb activitats promotores o inhibidores de la transcripció, de manera que esdevenen eines de control epigenètic, amb les quals es pot controlar l’activació o la inhibició específica dels gens a voluntat [20]. Les aplicacions terapèutiques també han arribat a través dels editors de bases, una combinació creada per David Liu en què les nickases (Cas9 que poden tallar només una de les dues cadenes del DNA) es combinen amb activitats desaminasa, les quals, químicament, poden convertir una A en una G, o una C en una T, i o bé generen una mutació o bé la resolen [21]. Aquestes mateixes activitats desaminasa s’han aprofitat, en combinació amb les eines TALEN, per a possibilitar l’edició del genoma dels mitocondris, un dels pocs llocs on les eines CRISPR-­Cas sembla que no funcionen [22]. Una variació dels sistemes CRISPR-Cas que combina una nickasa amb una activitat retrotranscriptasa o transcriptasa inversa, també promoguda per David Liu, ha generat una de les variants CRISPR més precises. En aquest cas, una llarga guia d’RNA serveix per a centrar la nucleasa parcialment inactivada sobre el gen escollit i, també, per a sostenir la síntesi de nou DNA en la cadena complementària, fent servir la mateixa molècula d’RNA guia com a motlle [23]. Realment, són moltes les variants i els tipus d’eines CRISPR-Cas que es poden trobar actualment, cadascuna seleccionada per a una aplicació diferent [24]. Les aplicacions biotecnològiques d’aquestes eines no s’han fet esperar, tant en animals com en plantes. Per exemple, mitjançant CRISPR ha estat possible inactivar el domini d’una proteïna que serveix de porta d’entrada per al virus PRRSV, que

113


ataca les explotacions ramaderes de porcs i provoca pèrdues greus [25]. O, també, eliminar una gran part dels gens de les gliadines —‌components del gluten d’alguns cereals— per a generar farines que puguin ser consumides per persones amb la malaltia celíaca [26].

Limitacions de les eines CRISPR-Cas No tot són aspectes positius amb les eines CRISPR-Cas9. Malgrat que poden fer el tall amb una gran precisió, també poden arribar a tallar seqüències de DNA similars no volgudes, presents en altres indrets del genoma. Per això, s’han desenvolupat nous algoritmes bioinformàtics que permeten reduir aquests efectes al mínim [27]. Altrament, la reparació mitjançant INDEL genera una gran diversitat al·lèlica i provoca que la majoria dels animals editats genèticament, nascuts com a fundadors i establerts amb CRISPR-Cas9, normalment siguin mosaics [17]. Això no representa cap problema en el cas dels models animals (o en plantes), ja que els al·lels que no interessen es poden segregar i descartar mitjançant encreuaments. Però sí que és un problema en els éssers humans, en què òbviament no hi ha aquesta possibilitat de segregació. Per aquest motiu, va ser una greu irresponsabilitat transferir aquesta incertesa, que sabem gestionar en els models animals, a nadons humans —‌tres nenes que van néixer a la Xina després d’un intent fallit d’inactivar el gen CCR5 per a fer-les resistents al virus VIH, causant de la SIDA. Els investigadors que hi estigueren involucrats van ser condemnats a presó i a pagar una multa i van ser inhabilitats per a treballar mai més en aquests temes. La majoria de països no permet modificar el genoma de la descendència, però si mai s’aprova aquesta aplicació es farà amb una finalitat terapèutica, no pas amb una intenció de millora, que no deixa de ser un eufemisme de l’eugenèsia. Cal estar molt atents als aspectes ètics associats a l’aplicació d’aquestes eines CRISPR-Cas en salut humana.

Les eines CRISPR-Cas en teràpia gènica 114

Actualment hi ha aproximadament uns quaranta-sis assaigs clínics que estan experimentant ja estratègies terapèutiques

amb voluntaris humans. La majoria d’aquestes propostes són ex vivo (és a dir, s’extreuen les cèl·lules del pacient i, al laboratori, s’editen i seleccionen, abans de retornar-les al pacient). Les propostes in vivo estan centrades en malalties de retina, intraoculars, o en alteracions sistèmiques. Els èxits més rotunds han arribat amb les aplicacions ex vivo, fonamentalment per al tractament de l’anèmia falciforme i la talassèmia beta, dues malalties greus de la sang que requereixen transfusions de sang constants als pacients que les presenten. Fent servir una estratègia CRISPR-Cas d’inactivació, els investigadors van disminuir fortament l’expressió del gen BCL11A, repressor de la variant fetal de les globines, habitualment inactives en adults, i així van permetre la seva reactivació i la substitució de les unitats de beta-globina mutades. Els primers pacients tractats ja poden viure sense més transfusions [28]. També s’esperen grans èxits de l’aplicació de les eines CRISPR-Cas en la immunoteràpia del càncer, sobretot en tumors molt agressius com el melanoma, el sarcoma i el mieloma [29].

Les eines CRISPR-Cas i la pandèmia COVID-19 Si alguna aplicació il·lustra de manera clara la versatilitat que tenen les eines CRISPR-Cas aquesta és la derivació d’aproximacions diagnòstiques i terapèutiques tant per a detectar com per a lluitar contra el coronavirus SARS-CoV-2, causant de la pandèmia COVID-19. Les aplicacions diagnòstiques deriven de noves variants CRISPR-­Cas descobertes —‌com la nucleasa Cas13a—, que pot tallar molècules d’RNA guiada per una petita molècula d’RNA, però que quan troba la seqüència complementària perd l’especificitat i talla tots els RNA de la mostra. Aquest resultat inesperat que va trobar Feng Zhang el va convertir ràpidament en una aplicació diagnòstica per a detectar virus o qualsevol altra mutació amb una gran sensibilitat. La tècnica es va batejar amb l’acrònim SHERLOCK [30] i, tan bon punt es va conèixer la pandèmia i l’agent causal, el laboratori de F. Zhang va desenvolupar diverses aproximacions per a diagnosticar la presència del coronavirus fent servir Cas13a, que finalment va ser aprovada per la Food and Drug Administration (FDA) [31]. La investigadora Jennifer Doudna va descobrir propietats similars en una nucleasa anàloga —‌la Cas12a—, i també en va


derivar una aplicació diagnòstica [32]. És certament remar­ cable que la premiada J. Doudna hagi reconvertit l’ús de la Cas13a per desenvolupar una aplicació diagnòstica de COVID-19 que fa servir la càmera fotogràfica d’un telèfon mòbil per a captar la fluorescència indicativa d’estar infectat amb el coronavirus [33]. Més enllà de les activitats diagnòstiques, els sistemes CRISPR-­Cas també es poden fer servir com a antivirals —‌particularment, utilitzant la nucleasa Cas13d, que permet digerir molècules d’RNA (com el genoma del coronavirus SARSCoV-2 o del virus de la grip) i inhibir-ne la replicació, provat en models cel·lulars [34]. Una aproximació semblant s’ha provat amb la nucleasa Cas13a in vivo (en què no sembla manifestar la pèrdua d’especificitat) en ratolins i hàmsters [35]. Totes aquestes aplicacions COVID-19, i moltes més que han aparegut, donen idea de la capacitat plàstica de les eines CRISPR-Cas9, ja que poden adaptar-se a qualsevol repte mentre hi estiguin implicades molècules de DNA o d’RNA.

Conclusions Les investigadores Charpentier i Doudna van ser les primeres a adonar-se de la potencialitat que tenien els sistemes CRISPR-­ Cas bacterians i van proposar, sense poder demostrar-ho en aquells moments, que aquestes eines, fora de context, podrien emprar-se per a editar qualsevol gen de qualsevol organisme. Aquell article va aparèixer l’estiu del 2012. Al cap de pocs mesos, altres investigadors van constatar la certesa de la proposta i, vuit anys després, Charpentier i Doudna recollien merescudament el Premi Nobel de Química a Suècia.

Referències [1]  Fernández, A.; Josa, S.; Montoliu, L. «A history of genome editing in mammals». Mammalian Genome. Official Journal of the International Mammalian Genome Society [en línia], 28 (7-8) (2017), p. 237-246. <https://doi.org/10.1007/s00335 -017-9699-2>. [2]  Jinek, M.; Chylinski, K.; Fonfara, I.; Hauer, M.; Doudna, J. A.; Charpentier, E. (2012). «A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity». Science [en línia] [Nova York, NY], 337 (6096) (2012), p. 816-821. <https://doi.org/10.1126/science.1225829>.

[3]  Cong, L.; Ran, F. A.; Cox, D.; Lin, S.; Barretto, R.; Habib, N.; Hsu, P. D.; Wu, X.; Jiang, W.; Marraffini, L. A.; Zhang, F. «Multiplex genome engineering using CRISPR/Cas systems». Science [en línia] [Nova York, NY], 339 (6121) (2013), p. 819-823. <https://doi.org/10.1126/science.1231143>. [4]  Mali, P.; Yang, L.; Esvelt, K. M.; Aach, J.; Guell, M.; DiCarlo, J. E.; Norville, J. E.; Church, G. M. «RNA-guided human genome engineering via Cas9». Science [en línia] [Nova York, NY], 339 (6121) (2013), p. 823-826. <https://doi.org/10.1126/ science.1232033>. [5]  Deltcheva, E.; Chylinski, K.; Sharma, C. M.; Gonzales, K.; Chao, Y.; Pirzada, Z. A.; Eckert, M. R.; Vogel, J.; Charpentier, E. (2011). «CRISPR RNA maturation by trans-encoded small RNA and host factor RNase III». Nature [en línia], 471 (7340) (2011), p. 602-607. <https://doi.org/10.1038/nature09886>. [6]  Haurwitz, R. E.; Jinek, M.; Wiedenheft, B.; Zhou, K.; Doudna, J. A. «Sequence- and structure-specific RNA processing by a CRISPR endonuclease». Science [en línia] [Nova York, NY], 329 (5997) (2010), p. 1355-1358. <https://doi.org/10.1126/ science.1192272>. [7]  Josa, S.; Seruggia, D.; Fernández, A.; Montoliu, L. «Concepts and tools for gene editing». Reproduction, Fertility, and Devel­ opment [en línia], 29 (1) (2016), p. 1-7. <https://doi.org/ 10.1071/RD16396>. [8]  Doudna, J. A.; Charpentier, E. (2014). «Genome editing. The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9». Science [en línia] [Nova York, NY], 346 (6213) (2014), p. 1258096. <https://doi.org/10.1126/science.1258096>. [9]  Seruggia, D.; Montoliu, L. «The new CRISPR-Cas system: RNA-guided genome engineering to efficiently produce any desired genetic alteration in animals». Transgenic Research [en línia], 23 (5) (2014), p. 707-716. <https://doi.org/10.1007/ s11248-014-9823-y>. [10]  Mojica, F. J.; Juez, G.; Rodríguez-Valera, F. «Transcription at different salinities of Haloferax mediterranei sequences adjacent to partially modified PstI sites». Molecular Microbiology [en línia], 9 (3) (1993), p. 613-621. <https://doi.org/10.1111/ j.1365-2958.1993.tb01721.x>. [11]  Jansen, R.; Embden, J. D.; Gaastra, W.; Schouls, L. M. «Identification of genes that are associated with DNA repeats in prokaryotes». Molecular Microbiology [en línia], 43 (6) (2002), p. 1565-1575. <https://doi.org/10.1046/j.1365-2958. 2002.02839.x>. [12]  Mojica, F. J.; Díez-Villaseñor, C.; García-Martínez, J.; Soria, E. «Intervening sequences of regularly spaced prokaryotic repeats derive from foreign genetic elements». Journal of Mo­

115


116

lecular Evolution [en línia], 60 (2) (2005), p. 174-182. <https://doi.org/10.1007/s00239-004-0046-3>. [13]  Mojica, F.; Díez-Villaseñor, C.; García-Martínez, J.; Almendros, C. «Short motif sequences determine the targets of the prokaryotic CRISPR defence system». Microbiology [en línia] [Reading, Anglaterra], 155 (Pt 3) (2009), p. 733-740. <https:// doi.org/10.1099/mic.0.023960-0>. [14]  Mojica, F.; Montoliu, L. «On the origin of CRISPR-Cas technology: From prokaryotes to mammals». Trends in Microbiology [en línia], 24 (10) (2016), p. 811-820. <https://doi.org/ 10.1016/j.tim.2016.06.005>. [15]  Gasiunas, G.; Barrangou, R.; Horvath, P.; Siksnys, V. «Cas9-crRNA ribonucleoprotein complex mediates specific DNA cleavage for adaptive immunity in bacteria». Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [en línia], 109 (39) (2012), p. E2579-E2586. <https:// doi.org/10.1073/pnas.1208507109>. [16]  Lau, M. T.; Manion, J.; Littleboy, J. B.; Oyston, L.; Khuong, T. M.; Wang, Q. P.; Nguyen, D. T.; Hesselson, D.; Seymour, J. E.; Neely, G. G. «Molecular dissection of box jellyfish venom cytotoxicity highlights an effective venom antidote». Nature Communications [en línia], 10 (1) (2019), p. 1655. <https://doi.org/ 10.1038/s41467-019-09681-1>. [17]  Seruggia, D.; Fernández, A.; Cantero, M.; Pelczar, P.; Mon­ toliu, L. «Functional validation of mouse tyrosinase non-coding regulatory DNA elements by CRISPR-Cas9-mediated muta­ genesis». Nucleic Acids Research [en línia], 43 (10) (2015), p. 4855-4867. <https://doi.org/10.1093/nar/gkv375>. [18]  Seruggia, D.; Fernández, A.; Cantero, M.; Fernández-Miñán, A.; Gomez-Skarmeta, J. L.; Pelczar, P.; Montoliu, L. «Boundary sequences flanking the mouse tyrosinase locus ensure faithful pattern of gene expression». Scientific Reports [en línia], 10 (1) (2020), p. 15494. <https://doi.org/10.1038/s41598-020 -72543-0>. [19]  Nelson, C. E.; Hakim, C. H.; Ousterout, D. G.; Thakore, P. I.; Moreb, E. A.; Castellanos Rivera, R. M.; Madhavan, S.; Pan, X.; Ran, F. A.; Yan, W. X.; Asokan, A.; Zhang, F.; Duan, D.; Gersbach, C. A. «In vivo genome editing improves muscle function in a mouse model of Duchenne muscular dystrophy». Science [en línia] [Nova York, NY], 351 (6271) (2016), p. 403-407. <https://doi. org/10.1126/science.aad5143>. [20]  Nuñez, J. K.; Chen, J.; Pommier, G. C.; Cogan, J. Z.; Replogle, J. M.; Adriaens, C.; Ramadoss, G. N.; Shi, Q.; Hung, K. L.; Samelson, A. J.; Pogson, A. N.; Kim, J.; Chung, A.; Leonetti, M. D.; Chang, H. Y.; Kampmann, M.; Bernstein, B. E.; Hovestadt, V.; Gilbert, L. A.; Weissman, J. S. «Genome-wide programmable transcriptional

memory by CRISPR-based epigenome editing». Cell [en línia], 184 (9) (2021), p. 2503-2519.e17. <https://doi.org/10.1016/ j.cell.2021.03.025>. [21]  Komor, A. C.; Kim, Y. B.; Packer, M. S.; Zuris, J. A.; Liu, D. R. «Programmable editing of a target base in genomic DNA with­out double-stranded DNA cleavage». Nature [en línia], 533 (7603) (2016), p. 420-424. <https://doi.org/10.1038/ nature17946>. [22]  Mok, B. Y.; Moraes, M. H. de; Zeng, J.; Bosch, D. E.; Kotrys, A. V.; Raguram, A.; Hsu, F.; Radey, M. C.; Peterson, S. B.; Mootha, V. K.; Mougous, J. D.; Liu, D. R. «A bacterial cytidine deaminase toxin enables CRISPR-free mitochondrial base editing». Nature [en línia], 583 (7817) (2020), p. 631-637. <https://doi.org/ 10.1038/s41586-020-2477-4>. [23]  Anzalone, A. V.; Randolph, P. B.; Davis, J. R.; Sousa, A. A.; Koblan, L. W.; Levy, J. M.; Chen, P. J.; Wilson, C.; Newby, G. A.; Raguram, A.; Liu, D. R. «Search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor DNA». Nature [en línia], 576 (7785) (2019), p. 149-157. <https://doi.org/ 10.1038/s41586-019-1711-4>. [24]  Anzalone, A. V.; Koblan, L. W.; Liu, D. R. «Genome editing with CRISPR-Cas nucleases, base editors, transposases and prime editors». Nature Biotechnology [en línia], 38 (7) (2020), p. 824-844. <https://doi.org/10.1038/s41587-020-0561-9>. [25]  Burkard, C.; Lillico, S. G.; Reid, E.; Jackson, B.; Mileham, A. J.; Ait-Ali, T.; Whitelaw, C. B.; Archibald, A. L. «Precision engi­ neering for PRRSV resistance in pigs: Macrophages from genome edited pigs lacking CD163 SRCR5 domain are fully resistant to both PRRSV genotypes while maintaining biological function». PLoS Pathogens [en línia], 13 (2) (2017), p. e1006206. <https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1006206>. [26]  Sánchez-León, S.; Gil-Humanes, J.; Ozuna, C. V.; Giménez, M. J.; Sousa, C.; Voytas, D. F.; Barro, F. «Low-gluten, nontransgenic wheat engineered with CRISPR/Cas9». Plant Biotechnol­ ogy Journal [en línia], 16 (4) (2018), p. 902-910. <https://doi. org/10.1111/pbi.12837>. [27]  Oliveros, J. C.; Franch, M.; Tabas-Madrid, D.; San-León, D.; Montoliu, L.; Cubas, P.; Pazos, F. «Breaking-Cas-interactive design of guide RNAs for CRISPR-Cas experiments for ENSEMBL genomes». Nucleic Acids Research [en línia], 44 (W1) (2016), p. W267-W271. <https://doi.org/10.1093/nar/gkw407>. [28]  Frangoul, H.; Altshuler, D.; Cappellini, M. D.; Chen, Y. S.; Domm, J.; Eustace, B. K.; Foell, J.; Fuente, J. de la; Grupp, S.; Handgretinger, R.; Ho, T. W.; Kattamis, A.; Kernytsky, A.; Lekstrom-Himes, J.; Li, A. M.; Locatelli, F.; Mapara, M. Y.; Montalembert, M. de; Rondelli, D.; Sharma, A.; Sheth, S.; Soni, S.; Steinberg, M. H.; Wall, D.;


Yen, A.; Corbacioglu, S. «CRISPR-Cas9 gene editing for sickle cell disease and β-thalassemia». The New England Journal of Medicine [en línia], 384 (3) (2021), p. 252-260. <https://doi. org/10.1056/NEJMoa2031054>. [29]  Stadtmauer, E. A.; Fraietta, J. A.; Davis, M. M.; Cohen, A. D.; Weber, K. L.; Lancaster, E.; Mangan, P. A.; Kulikovskaya, I.; Gupta, M.; Chen, F.; Tian, L.; Gonzalez, V. E.; Xu, J.; Jung, I. Y.; Melenhorst, J. J.; Plesa, G.; Shea, J.; Matlawski, T.; Cervini, A.; Gaymon, A. L.; Desjardins, S.; Lamontagne, A.; Salas-Mckee, J.; Fesnak, A.; Siegel, D. L.; Levine, B. L.; Jadlowsky, J. K.; Young, R. M.; Chew, A.; Hwang, W.-T.; Hexner, E. O.; Carreno, B. M.; Nobles, C. L.; Bushman, F. D.; Parker, K. R.; Qi, Y.; Satpathy, A. T.; Chang, H. Y.; Zhao, Y.; Lacey, S. F.; June, C. H. «CRISPR-engineered T cells in patients with refractory cancer». Science [en línia] [Nova York, NY], 367 (6481) (2020), p. eaba7365. <https://doi.org/10.1126/science. aba7365>. [30]  Gootenberg, J. S.; Abudayyeh, O. O.; Lee, J. W.; Essletzbichler, P.; Dy, A. J.; Joung, J.; Verdine, V.; Donghia, N.; Daringer, N. M.; Freije, C. A.; Myhrvold, C.; Bhattacharyya, R. P.; Livny, J.; Regev, A.; Koonin, E. V.; Hung, D. T.; Sabeti, P. C.; Collins, J. J.; Zhang, F. «Nucleic acid detection with CRISPR-Cas13a/C2c2». Science [en línia] [Nova York, NY], 356 (6336) (2017), p. 438-442. <https://doi.org/10.1126/science.aam9321>. [31]  Patchsung, M.; Jantarug, K.; Pattama, A.; Aphicho, K.; Suraritdechachai, S.; Meesawat, P.; Sappakhaw, K.; Leelahakorn, N.; Ruenkam, T.; Wongsatit, T.; Athipanyasilp, N.; Eiamthong, B.; Lakkanasirorat, B.; Phoodokmai, T.; Niljianskul, N.; Pakotiprapha, D.; Chanarat, S.; Homchan, A.; Tinikul, R.; Kamutira, P.; Phiwkaow, K.; Soithongcharoen, S.; Kantiwiriyawanitch, C.; Pongsupasa, V.; Trisrivirat, D.; Jaroensuk, J.; Wongnate, T.; Maenpuen, S.; Chaiyen, P.; Kamnerdnakta, S.; Swangsri, J.; Chuthapisith, S.; Sirivatanauksorn, Y.; Chaimayo, C.; Sutthent, R.; Kantakamalakul, W.; Joung, J.; Ladha, A.; Jin, X.; Gootenberg, J. S.; Abudayyeh, O. O.; Zhang, F.; Horthongkham, N.; Uttamapinant, C. «Clinical validation of a Cas13-­

based assay for the detection of SARS-CoV-2 RNA». Nature Biomedical Engineering [en línia], 4 (12) (2020), p. 11401149. <https://doi.org/10.1038/s41551-020-00603-x>. [32]  Broughton, J. P.; Deng, X.; Yu, G.; Fasching, C. L.; Servellita, V.; Singh, J.; Miao, X.; Streithorst, J. A.; Granados, A.; Sotomayor-­ Gonzalez, A.; Zorn, K.; Gopez, A.; Hsu, E.; Gu, W.; Miller, S.; Pan, C. Y.; Guevara, H.; Wadford, D. A.; Chen, J. S.; Chiu, C. Y. «CRISPR-­Cas12-based detection of SARS-CoV-2». Nature Biotechnology [en línia], 38 (7) (2020), p. 870-874. <https://doi. org/10.1038/s41587-020-0513-4>. [33]  Fozouni, P.; Son, S.; Díaz de León Derby, M.; Knott, G. J.; Gray, C. N.; D'Ambrosio, M. V.; Zhao, C.; Switz, N. A.; Kumar, G. R.; Stephens, S. I.; Boehm, D.; Tsou, C. L.; Shu, J.; Bhuiya, A.; Armstrong, M.; Harris, A. R.; Chen, P. Y.; Osterloh, J. M.; Meyer-Franke, A.; Joehnk, B.; Walcott, K.; Sil, A.; Langelier, C.; Pollard, K. S.; Crawford, E. D.; Puschnik, A. S.; Phelps, M.; Kistler, A.; DeRisi, J. L.; Doudna, J. A.; Fletcher, D. A.; Ott, M. «Amplification-free detection of SARS-CoV-2 with CRISPR-Cas13a and mobile phone microscopy». Cell [en línia], 184 (2) (2021), p. 323-333.e9. <https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.12.001>. [34]  Abbott, T. R.; Dhamdhere, G.; Liu, Y.; Lin, X.; Goudy, L.; Zeng, L.; Chemparathy, A.; Chmura, S.; Heaton, N. S.; Debs, R.; Pande, T.; Endy, D.; La Russa, M. F.; Lewis, D. B.; Qi, L. S. «Development of CRISPR as an antiviral strategy to combat SARS-CoV-2 and influenza». Cell [en línia], 181 (4) (2020), p. 865-876.e12. <https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.04.020>. [35]  Blanchard, E. L.; Vanover, D.; Bawage, S. S.; Tiwari, P. M.; Rotolo, L.; Beyersdorf, J.; Peck, H. E.; Bruno, N. C.; Hincapie, R.; Michel, F.; Murray, J.; Sadhwani, H.; Vanderheyden, B.; Finn, M. G.; Brinton, M. A.; Lafontaine, E. R.; Hogan, R. J.; Zurla, C.; Santangelo, P. J. «Treatment of influenza and SARS-CoV-2 infections via mRNA-encoded Cas13a in rodents». Nature Biotechnology [en línia], 39 (6) (2021), p. 717-726. <https://doi.org/10.1038/ s41587-021-00822-w>.

117


L. Montoliu

Lluís Montoliu (Barcelona, 1963) és llicenciat (1986) i doctor (1990) en ciències biològiques per la Universitat de Barcelona. Actualment és investigador científic del CSIC al Centro Nacional de Biotecnología (CNB) a Madrid, des del 1997. Anteriorment va treballar a Heidelberg (Alemanya) (1991-1995) i a la Universitat Autònoma de Barcelona (1995-1996). També és investigador i membre del Consell Directiu del CIBERER (CIBER de Enfermedades Raras, de l’Instituto de Salud Carlos III, ISCIII), president del Comitè d’Ètica del CSIC i director del node espanyol de la plataforma europea EMMA/Infrafrontier (Arxiu Europeu de Ratolins Mutants). Al CNB lidera el seu laboratori sobre models animals de malalties, centrat en l’estudi de l’albinisme. Va ser pioner en la introducció de les eines CRISPR a Espanya en animals. Presideix dues societats internacionals científiques —‌la European Society for Pigment Cell Research (ESPCR) i l’Association for Responsible Research and Innovation in Genome Editing (ARRIGE)— i és membre de les juntes directives d’altres societats nacionals —‌la Sociedad Española de Bioquímica y Biología Molecular (SEBBM), la Sociedad Española de Genética (SEG)— i internacionals —‌la International Federation of Pigment Cell Societies (IFPCS). Més enllà de la recerca i l’ètica, li interessa molt la divulgació de la ciència.

118


Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 20 (2021), p. 119-120 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Químics catalans al món: Xavier Fradera Llinàs Merck Research Laboratories (Boston, EUA)

Xavier Fradera Llinàs i els Merck Research Laboratories (Boston, EUA). Fotografies cedides per Xavier Fradera.

Trajectòria professional

X

avier Fradera Llinàs (Barcelona, 1970) va fer els estudis de química al Col·legi Universitari de Girona, que depenia de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), i es va graduar el 1993. Després, va començar a fer recerca a l’Institut de Química Computacional (IQC) de la Universitat de Girona (UdG), primer amb el professor Carbó-Dorca, treballant en la semblança molecular i el seu ús en relacions d’estructura i activitat [1], i, més endavant, en l’anàlisi computacional de densitats bielectròniques, sota la direcció del professor Duran i el doctor Mestres [2]; finalitzà la tesi doctoral el 1999. La recerca doctoral va incloure col·laboracions amb altres grups de recerca. Per exemple, una estada amb el professor Bader, al Canadà, va donar lloc a un article que relaciona la densitat bielectrònica molecular amb les estructures de Lewis, utilitzades per químics arreu, per a representar els enllaços entre els àtoms que formen una molècula [3]. Posteriorment, va fer una estada postdoctoral al laboratori del professor Luque a la Universitat de Barcelona, on va treballar, entre altres temes, en l’anàlisi del comportament dinàmic dels rotaxans [4]. La primera oportunitat de fer recerca farmacèutica durant el doctorat va ser una estada de tres mesos a la companyia OrCorrespondència: Xavier Fradera Llinàs Merck Research Laboratories (Boston, EUA) 33 Avenue Louis Pasteur, Boston, MA 02115 Tel.: +1 617 992 3139 A/e: xavier.fradera@merck.com

ganon, a Oss (Països Baixos), on s’havia traslladat el doctor Mestres, un dels directors de tesi. Aquesta col·laboració es va centrar en el desenvolupament d’un mètode de predicció d’interaccions entre lligands i receptors que incorporava un component de semblança molecular, aprofitant l’experiència adquirida en aquest tema a l’IQC [5]. Aquest projecte li va despertar l’interès per fer recerca farmacèutica industrial i, l’any 2003, va anar a treballar a la mateixa empresa, però al centre de recerca de Newhouse, a Escòcia. Al cap d’uns anys, Organon va ser adquirida per la companyia Schering-Plough, i aquesta, més endavant, per MSD. Consegüentment, es va tancar el centre de recerca de Newhouse, que avui acull un centre de cribratge molecular de l’European Lead Factory, i va tenir l’oportunitat d’anar a treballar per MSD a Boston, on es traslladà el 2011. Boston i la seva àrea metropolitana, que inclou Cambridge, té una gran presència de companyies farmacèutiques i biotecnològiques, que ha anat creixent en els darrers anys, i avui és una de les destinacions principals per a fer-hi recerca farmacèutica. Actualment, la química computacional contribueix d’una manera molt important a la recerca de nous medicaments. Per exemple, l’anàlisi de les interaccions entre molècules i la seva diana terapèutica, i la predicció computacional d’activitat farmacològica, s’utilitzen per a descobrir nous compostos amb activitat farmacològica i per a millorar-ne la potència. També es poden predir propietats farmacocinètiques, selectivitat farmacològica i altres propietats moleculars, dirigint els esforços de síntesi cap a compostos amb un perfil òptim. Així, dos articles publicats recentment descriuen l’ús de tècniques de mo-

119


delatge molecular per a obtenir nous inhibidors d’una quinasa (PI3K-δ) amb aplicacions terapèutiques importants. En un cas, es van utilitzar tècniques de cribratge molecular computacional (virtual screening) per a trobar compostos en la col·lecció de la companyia que poguessin encaixar en la proteïna d’interès, i es van fer servir prediccions computacionals per a optimitzar-ne la potència i la selectivitat [6]. En un segon exemple, es va fer servir una metodologia computacional (scaffold-hopping) que permet generar nous compostos a partir d’altres de coneguts, tot mantenint les interaccions essencials amb la proteïna. Fent diversos cicles d’optimització, es va obtenir un ventall de compostos amb diferents estructures químiques i un perfil de selectivitat molt favorable [7]. La química computacional en un entorn farmacèutic és una activitat pluridisciplinària, en col·laboració amb químics medicinals, cristal·lògrafs, farmacòlegs, biòlegs i altres científics. En els darrers anys, hi ha hagut progressos importants en metodologies computacionals i en capacitat de càlcul que fan que la química computacional tingui cada vegada un impacte més gran. Per exemple, la predicció acurada d’energies lliures d’enllaç entre lligand i receptor, o l’ús de tècniques d’intel·ligència artificial, són cada vegada més freqüents i accessibles. En paral·lel, els progressos en altres àrees com la criomicroscòpia electrònica han fet augmentar exponencialment el nombre d’estructures disponibles per a tasques de modelatge. Al llarg de la seva trajectòria professional, ha tingut l’oportunitat de treballar en diverses dianes terapèutiques, com ara quinases, receptors nuclears o proteases, i en projectes de descoberta en oncologia, neurociència, medicina cardiovascular, analgèsia, etc. El seu focus sempre ha estat en projectes preclínics, és a dir, en la descoberta i optimització de compos-

120

tos que es puguin utilitzar en assaigs clínics per a demostrar-­ ne l’eficàcia. Això ha donat lloc a un nombre important de patents i de publicacions. Tot i això, cap d’aquests projectes no ha resultat encara en un medicament aprovat. Això és, de fet, força normal, i posa de manifest l’extrema dificultat per a obtenir medicaments eficaços i amb el perfil de seguretat necessari.

Referències [1]  Fradera, X.; Amat, L.; Besalu, E.; Carbó-Dorca, R. «Application of molecular quantum similarity to QSAR». Quant. Struct.-Act. Rel., 16 (1) (1997), p. 25-32. [2]  Fradera, X.; Duran, M.; Mestres, J. «The relevance of the Laplacian of intracule and extracule density distributions for analyzing electron-electron interactions in molecules». J. Chem. Phys., 107 (9) (1997), p. 3576-3583. [3]  Fradera, X.; Austen, M. A.; Bader, R. F. W. «The Lewis model and beyond». J. Phys. Chem. A, 103 (2) (1999), p. 304-314. [4]  Fradera, X.; Marquez, M.; Smith, B. D.; Orozco, M.; Luque, F. J. «Molecular dynamics study of [2]rotaxanes: Influence of solvation and cation on co-conformation». J. Org. Chem., 68 (12) (2003), p. 4663-4673. [5]  Fradera, X.; Knegtel, R. M. A.; Mestres, J. «Similarity-driven flexible ligand docking». Proteins, 40 (4) (2000), p. 623-636. [6]  Fradera, X.; Deng, Q.; Achab, A.; Garcia, Y.; Kattar, S. D.; McGowan, M. A. [et al.]. «Discovery of a new series of PI3K-delta inhibitors from virtual screening». Bioorg. Med. Chem. Lett., 42 (2021), p. 128046. [7]  Fradera, X.; Methot, J. L.; Achab, A.; Christopher, M.; Altman, M. D.; Zhou, H. [et al.]. «Design of selective PI3K delta inhibitors using an iterative scaffold-hopping workflow». Bioorg. Med. Chem. Lett., 29 (18) (2019), p. 2575-2580.


Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 20 (2021), p. 121 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Ressenyes

From aspirin to viagra. Stories of the drugs that changed the world Vladimir Marko Cham (Suïssa): Springer, 2020 https://www.springer.com/gp/ book/9783030442859 Vladimir Marko és un químic i bioquímic eslovac amb dècades d’experiència tant en recerca bàsica com en la indústria. És autor de nombrosos articles científics i de divulgació. En aquest llibre, traducció anglesa de l’original en eslovac, ens presenta una àmplia col·lecció d’històries i anècdotes sobre els fets històrics que conduïren al desenvolupament de deu medicaments que han canviat la salut humana i, de retruc, la medicina i la manera de practicar-la: l’aspirina, la clorpromazina, les píndoles contraceptives, la insulina, la penicil·lina, el Prozac, la quinina, les vacunes, la Viagra i la vitamina C.

«La taula periòdica» —‌diu l’autor Theodore Gray— «és el catàleg universal de tot el que podem trobar al nostre voltant.» Aquest magnífic volum ens dona l’oportunitat de veure d’una manera directa i personal l’estat pur dels elements i el ventall de compostos que formen quan es combinen entre ells. Fruit de set anys de recerca, les imatges d’aquest llibre constitueixen el retrat més complet i visualment més atractiu de cadascun dels elements de l’Univers. Organitzat de la mateixa manera que la taula periòdica, el llibre mostra cada element mitjançant una fotografia espectacular de grans dimensions de l’element pur i, a més, inclou fotografies de les diferents formes en què és present al món. Cada pàgina conté un text que explica la història de l’element i les dades científiques fonamentals que el defineixen. Ciril Jimeno Mollet IQAC-CSIC

El llibre no només és molt entretingut i informatiu, sinó que a més serveix per a reflexionar sobre el desenvolupament dels descobriments científics (sovint costeruts, de vegades aleatoris), el treball i la implicació d’alguns individus concrets i l’estret lligam amb la societat del moment. Al mateix temps, aquests descobriments han contribuït a dur a terme canvis socials profunds que al principi tan sols s’entreveien.

100 curiositats sobre la taula periòdica i els elements químics

En resum, un llibre altament recomanable per a qualsevol persona amb un mínim de formació científica, i imprescindible per a químics relacionats amb la química orgànica, la bioquímica, la química mèdica o la farmàcia.

Escrit per alguns dels millors divulgadors de la química de Catalunya, 100 curiositats sobre la taula periòdica i els elements químics explora una de les icones científiques per excel·lència, ben coneguda pels químics i la població general, i maldecap habitual dels estudiants de secundària. S’hi expliquen d’una manera entretinguda temes més científics, en relació amb la seva creació i història i el paper que ha tingut en el descobriment dels elements químics, i d’altres de més heterogenis, com la seva conversió en icona universal i la seva presència al cinema, a la televisió o a la literatura. En definitiva, un llibre ple de curiositats i d’històries, variat i entretingut, i apte per a tots els públics.

Ciril Jimeno Mollet IQAC-CSIC

Els elements. Una exploració visual de tots els àtoms coneguts de l’Univers Theodore Gray 2a ed., València: Institut d’Estudis Catalans i Publicacions de la Universitat de València, 2019 https://publicacions.iec.cat/PopulaFitxa.do?moduleName= botiga&subModuleName=&idCatalogacio=31629

Santiago Álvarez, Eduard Cremades, Josep Duran, Xavier Duran, Claudi Mans i Pep Anton Vieta Valls: Cossetània, 2019

Ciril Jimeno Mollet IQAC-CSIC

121


Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 20 (2021), p. 122-125 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Activitats destacades de la Societat Catalana de Química

Les activitats organitzades directament per la Societat Catalana de Química (SCQ) o aquelles en les quals col·labora continuen condicionades per l’evolució de la pandèmia de la COVID-19. Moltes s’han hagut de replantejar en un format virtual o un format híbrid virtual-presencial, i, fins i tot, algunes han estat posposades, com és el cas de la Conferència Fèlix Serratosa.

Conferència Enric Casassas L’any 2020 es commemorà el centenari del naixement d’Enric Casassas. Per aquest motiu, el comitè organitzador de la XX Conferència Enric Casassas va voler celebrar-ho unint dues de les grans passions del doctor Casassas, la química i la llengua, la qual cosa explica que l’edició de la conferència del 2020 portés per títol Química i llengua. L’acte, inicialment previst en format presencial, va tenir lloc el 23 de novembre però en format virtual. El programa de l’acte va incloure tres ponències: És necessari i suficient disposar de terminologia per comunicar sobre química en català?, per Maria Teresa Cabré, en aquell moment presidenta de la Secció Filològica de l’Institut d’Estudis Catalans i actualment presidenta de l’IEC; Símbols i comunicació visual en química, per Santiago Álvarez, del Departament de Química Inorgànica i Orgànica de la Universitat de Barcelona, i La creación del idioma químico. Contribuciones y homenaje al Prof. Enric Casassas en el centenario de su nacimiento, a càrrec de Javier García Martínez, president electe de la Unió Internacional de Química Pura i Aplicada (IUPAC). Després de les ponències, el professor Salvador Alegret, de la Universitat Autònoma de Barcelona, va pronunciar el discurs Enric Casassas, des del record. L’acte va finalitzar amb la visualització d’un vídeo en què diferents investigadors que havien conegut i/o col·laborat amb el professor Enric Casassas van homenatjar-lo en la commemoració del seu centenari. L’acte va ser transmès en directe pel canal YouTube de l’IEC (https://www.youtube.com/watch?v=GsvWjUkH97c&t =42s&ab_channel=Institutd%27EstudisCatalans).

Commemoració del Premi Nobel de Química 2020 122

El 16 de desembre de 2020 es va dur a terme, en format virtual, l’acte científic amb motiu de la commemoració del Premi

Nobel de Química 2020, que enguany es va concedir a les investigadores Emmanuelle Charpentier i Jennifer Doudna pel desenvolupament de les eines d’edició genètica CRISPR-Cas. L’acte va ser presidit per Gregori Ujaque, president de la SCQ. En el transcurs de l’acte el professor Lluís Montoliu, del Centro Nacional de Biotecnología (CNB-CSIC) i expert en el camp de recerca del Premi Nobel del 2020, va pronunciar la conferència Les eines CRISPR-Cas d’edició genètica, premiades amb el Premi Nobel de Química 2020. La seva xerrada es recull en aquest número de la revista en forma d’article. En acabar la conferència, com cada any, es feu el reconeixement a les persones doctorades a les universitats catalanes en l’àmbit de la química durant el curs 2019-2020. L’acte va ser transmès en directe pel canal YouTube de l’IEC (https://www. youtube.com/watch?v=TErMVKueEx0).

A dalt, Gregori Ujaque, Rosa Maria Marcé i Montserrat Heras (membres de la Junta de la SCQ), amb els nous doctors del curs 2019-2020 en l’àmbit de la química. A sota, el professor Lluís Montoliu. Imatge cedida per l’IEC.

Premis Sant Jordi 2021 El Premi de la Societat Catalana de Química dins el marc dels Premis Sant Jordi de l’Institut d’Estudis Catalans, que cada any distingeix un treball de fi de grau (TFG) de química realitzat per alumnes d’universitats de terres de llegua catalana, va premiar, en l’edició d’enguany, el treball de Víctor Maestre Martín, titulat Preparació de blocs quirals per a nous agents de penetració cel·lular. L’acte de lliurament dels Premis Sant Jordi 2021 va tenir lloc al pati de la Casa de Convalescència, el divendres 23 d’abril.


Els guanyadors en l’edició 2021 han estat dos primers premis ex aequo: Arribem a conèixer veritablement els pesticides?, realitzat per Joan Bayarri Matamorros i Marc Marquès Oliver, de l’Institut Joan Brossa (Barcelona); i Com calcular les constants de la química de batxillerat NA, R, e, h, c, realitzat per Martí Folch Pascual, de l’Escola Pia de Sitges (Sitges).

Els guanyadors dels Premis Sant Jordi 2021. Fotografia cedida per l’IEC.

XIV Jornades de Química Verda (JQV 2021) Els dies 15, 16 i 18 de febrer de 2021 es van celebrar a la Universitat Rovira i Virgili (URV) les XIV Jornades de Química Verda (JQV 2021). Aquestes jornades són organitzades per la Facultat de Química de la URV amb el patrocini de la Societat Catalana de Química, la Càtedra de Desenvolupament Sostenible Dow/URV i l’Associació Empresarial Química de Tarragona (AEQT). Enguany, amb el títol Medicaments i sostenibilitat: síntesi, ús, abús i reciclatge, les jornades es van centrar en les tecnologies no contaminants i sostenibles de la indústria farmacèutica. A causa de la pandèmia de la COVID-19, totes les activitats programades, conferències, tallers i visites a empreses es van fer en línia.

Quinzena edició dels Premis de Batxillerat i XXXIII Debat de Química a l’Institut d’Estudis Catalans La participació en l’edició d’enguany dels premis als millors treballs de recerca de batxillerat dins l’àmbit de la química, malgrat les dificultats del curs 2019-2020 per la pandèmia de la COVID-19, s’ha mantingut elevada i amb una qualitat excel·lent de tots els treballs presentats, segons la Comissió Avaluadora encarregada de seleccionar els treballs guanyadors.

També es van concedir tres accèssits a Nil Puiggròs Cuadros, de l’Escola Pia d’Igualada (Igualada), pel treball titulat Determinació de resveratrol per HPLC en productes vinícoles locals i regionals; a Aina Fargas Gallés, de l’Institut Moianès (Moià), pel treball titulat Caos i reaccions oscil·lants, i a Nil Aymat Álvarez i Eloy López Domínguez, de l’Institut Joan Oró (Martorell), pel treball titulat Síntesi d’un aerogel de sílice per mitjà d’un procediment subcrític per a l’elaboració d’una pasta ‘slime’ a partir d’aquest material. Deu treballs més van rebre una menció honorífica, els dels estudiants Martí Cousillas, de l’Institut de Vilafant (Vilafant); Andrea Ballester i Carla Pozo, de l’Escola Pia Nostra Senyora (Barcelona); Laura Solsona, de l’Institut Màrius Torres (Lleida); Gisela Cano, de l’Institut Francesc Macià (Cornellà de Llobregat); Paula Jària, de l’Institut Antoni Martí i Franquès (Tarragona); Xènia Turró, de l’Institut de Vilafant (Vilafant); Jorge de la Torre, de Jesuïtes de Lleida - Col·legi Claver Raimat (Raimat); Pau Villén, de l’Institut Cendrassos (Figueres); Rihab Karkach, de l’Institut Gabriel Ferreter i Soler (Reus), i Ariadna Figueres, de l’Escola Mestral SCCL (Sant Feliu de Llobregat). El lliurament dels premis es va dur a terme durant la jornada del XXXIII Debat de Química a l’Institut d’Estudis Catalans, que tingué lloc el 19 de maig de 2021 a la Sala Prat de la Riba de l’IEC. En aquesta edició, el ponent convidat va ser el doctor Jordi Díaz Marcos, dels Centres Científics i Tecnològics de la Universitat de Barcelona (CCiTUB), que va pronunciar la conferència ‘Mem-mòries’ d’un químic nanotecnòleg: la revolució nano. En el debat central de l’acte, moderat per Gregori Ujaque, president de la SCQ, i titulat Què aporta la química a la nanociència i la nanotecnologia? Quins perfils professionals es generen amb mirada al futur?, es va debatre sobre com contribueixen els químics en el desenvolupament d’aquests àmbits interdisciplinaris. A continuació, els alumnes guanyadors dels dos primers premis ex aequo al millor treball de recerca van exposar un resum del seu treball. 123


Reconeixement d’Emplaçaments Històrics Representatius de la Química en el Territori de Parla Catalana

El doctor Jordi Díaz Marcos durant el XXXIII Debat de Química a l’Institut d’Estudis Catalans. Fotografia cedida per l’IEC.

A més, com en les darreres edicions, es va organitzar un concurs de pòsters dels treballs de recerca dels alumnes participants en aquesta convocatòria. L’empresa Pidiscat va regalar uns lots de material de laboratori als centres en els quals s’han tutoritzat els dos treballs guanyadors del primer premi ex aequo i al centre guanyador al millor pòster que, en aquesta edició, va ser per Laura Solsona Ichart, de l’Institut Màrius Torres (Lleida). Igual que en l’edició anterior, a causa de les restriccions per la pandèmia de la COVID-19, els estudiants premiats i els finalistes no han pogut gaudir d’una estada científica en alguna institució catalana de recerca. En comptes d’això, el 15 de juny es va organitzar una activitat en línia que va consistir en dues taules rodones sobre química biomèdica i química i sostenibilitat, amb la participació d’investigadors de centres de recerca de Catalunya. Entorn de cada temàtica, els alumnes participants van poder preguntar i debatre amb els investigadors.

Els guanyadors de la 15a edició dels Premis als Treballs de Recerca de Batxillerat

124 dins l’Àmbit de la Química. Fotografia cedida per l’IEC.

La Societat Catalana de Química ha instituït, aquest any 2021, el Premi Reconeixement d’Emplaçaments Històrics Representatius de la Química en el Territori de Parla Catalana amb l’objectiu d’identificar, difondre i distingir aquells indrets històrics (edificis, laboratoris, universitats, indústries, ciutats, manufactures, etc.) representatius de la química en el territori de parla catalana. En aquesta primera edició, la candidatura premiada ha estat Antoni de Martí i Franquès i Altafulla. L’emplaçament reconegut correspon a la finca coneguda amb el nom de L’Hospital, a la plaça del Pou d’Altafulla, on tenia l’estudi-laboratori el químic català Antoni de Martí i Franquès (1750-1832). Actualment, la finca és propietat de l’Ajuntament d’Altafulla, que té un projecte per a dinamitzar la seva memòria en els llocs on va desenvolupar la seva activitat. L’acte, organitzat conjuntament per la SCQ i l’Ajuntament d’Altafulla, de col·locació de la placa a la finca L’Hospital, per a reconèixer la rellevància de l’emplaçament, tindrà lloc a mitjans del mes de novembre de 2021.

Premis de recerca, educació i divulgació de la Societat Catalana de Química La Societat Catalana de Química ha instituït, també aquest any 2021, cinc nous premis en recerca, educació i divulgació. Concretament, en els premis de recerca s’han establert un Premi a l’Excel·lència Científica, amb l’objectiu de reconèixer la trajectòria científica d’una persona en l’àrea de la química, i dos premis al Talent Científic Emergent, per a reconèixer el lideratge científic emergent de joves investigadors en l’àmbit de la química. Dins els premis d’educació, s’han creat dos premis, el Premi a l’Excel·lència Educativa, amb l’objectiu de reconèixer la trajectòria docent d’una persona en l’àrea de la química en l’àmbit preuniversitari, i el Premi a la Innovació Educativa, per a premiar les tasques i els treballs d’innovació educativa portats a terme per a la millora de l’ensenyament de la química, tant a l’aula com en activitats extraacadèmiques. El Premi a l’Activitat Divulgadora s’ha instituït amb l’ob-


La vicepresidenta de la SCQ, Rosa Maria Marcé, fent entrega del Premi a l’Excel·lència Educativa a María Luisa Salgado Vallvey. Fotografia cedida per l’IEC.

El president de la SCQ, Gregori Ujaque, fent entrega del Premi a l’Excel·lència Científica al professor Jaume Veciana Miró. Fotografia cedida per l’IEC.

jectiu de reconèixer les tasques de divulgació de la química en qualsevol àmbit per a millorar la formació en cultura química de la ciutadania.

Salgado Vallvey, i el professor Claudi Mans Teixidó ha estat distingit amb el Premi a l’Activitat Divulgadora. El Premi a la Innovació Educativa, també convocat en aquesta primera edició, ha quedat desert.

En la primera convocatòria 2021, el professor Jaume Veciana Miró ha estat distingit amb el Premi a l’Excel·lència Científica. Els dos premis al Talent Científic Emergent s’han atorgat a la doctora Clàudia Climent Biescas i al doctor Aleix Comas Vives. El Premi a l’Excel·lència Educativa s’ha atorgat a María Luisa

El 21 d’octubre es va celebrar l’acte públic d’entrega dels premis de la Societat Catalana de Química a la Sala Prat de la Riba de l’Institut d’Estudis Catalans. L’acte va ser transmès en directe pel canal YouTube de l’IEC.

125



Turn static files into dynamic content formats.

Create a flipbook

Articles inside

Activitats destacades de la Societat Catalana de Química

9min
pages 124-128

Ressenyes

2min
page 123

Recent developments in nickel-catalyzed cross-coupling reactions via C–O functionalization

41min
pages 88-102

Químics catalans al món: Xavier Fradera. Merck Research Laboratories (Boston, EUA

5min
pages 121-122

Celebrem el Premi Nobel de Química 2020. Les eines CRISPR-Cas d’edició genètica

25min
pages 113-120

Avenços recents en el desenvolupament de molècules orgàniques fotoactives per a la capa activa en cèl·lules solars orgàniques eficients

54min
pages 34-53

Sistemes bioelectroquímics: una tecnologia innovadora per a la valorització d’aigües residuals urbanes i industrials

44min
pages 61-76

Bateries de liti-sofre: el futur de la mobilitat elèctrica?

16min
pages 54-60

El trencament espontani de la simetria especular i l’origen de l’homoquiralitat biològica

32min
pages 9-21

European project LIBERATE “Lignin biorefinery approach using electrochemical flow”: Towards the electrification of chemical biorefineries

22min
pages 22-33

Editorial

3min
pages 7-8
Issuu converts static files into: digital portfolios, online yearbooks, online catalogs, digital photo albums and more. Sign up and create your flipbook.