Disolventes eutécticos profundos: un nuevo enfoque a la química de productos naturales (parte I)
Dentro de la línea de investigación de química de productos naturales se emplean distintos métodos de extracción de metabolitos secundarios de diversos materiales vegetales. Uno de los más usados es la extracción por maceración con disolventes como el etanol, metanol, acetona, agua y diclorometano, entre otros. El principio se basa en la transferencia de masa y en la polaridad (afinidad) que tengan los compuestos de interés con el disolvente seleccionado. Para maximizar la extracción se pueden implementar en conjunto otras tecnologías como es el uso de microondas, ultrasonido, alta presión hidrostática, enzimas, etcétera.
El uso de disolventes tiene altos rendimientos; sin embargo, pueden llegar a presentar daños medioambientales y al ser humano debido a su alta residualidad y toxicidad. Diversas investigaciones mencionan que pueden llegar a ser carcinogénicos, mutagénicos y teratogénicos. Por ello, en años recientes la investigación se ha dedicado a desarrollar disolventes capaces de mejorar el rendimiento de extracción de fitoquímicos, que sean amigables con el ambiente, inocuos y con una amplia versatilidad en utilización. Uno de los más novedosos son los Disolventes Eutécticos Profundos (DES, por sus siglas en inglés). Estos, además de contar con las cualidades antes mencionadas, presentan baja residualidad, amplia gama de usos, son económicos y están elaborados a partir de productos orgánicos como azúcares, sales, dioles, alcoholes, aminoácidos, ácidos fenólicos, terpenos, ácidos grasos y ácidos orgánicos.
El profesor Andrew Abbott, de la Universidad de Leicester (Reino Unido), fue el pionero en trabajar con estos disolventes y observó que, al mezclar urea con cloruro de colina (una sal cuaternaria de amonio, usada comúnmente en la alimentación para aves) y otras sales, se presentaban características peculiares. Mediante experimentos de RMN (resonancia magnética nuclear), pudo observar que se creaban puentes de hidrógeno, formando un complejo estable, el cual tenía la capacidad de modificar el punto de congelación y fusión del disolvente sintetizado, alcanzando el punto eutéctico (figura 1). Además, resaltó que ambos compuestos presentaban alta solubilidad entre sí, donando y captando protones.1 Tras estos hallazgos se consideró el uso de los DES en diferentes industrias como la metalúrgica, química analítica, tecnologías para el desarrollo de energía y baterías, catálisis, genómica, farmacéutica, nanomateriales y procesamiento de biomasa, entre otros.
No fue sino hasta 2011 cuando los profesores Hae Choi y Robert Verpoorte, de la Universidad de Leiden (Holanda), mediante una correspondencia científica publicada en Plant Physiology,2 observaron la similitud en el comportamiento y naturaleza de los compuestos presentes en las células de las plantas como azúcares, aminoácidos, colina y ácidos orgánicos (figura 2) con los DES y determinaron qué papel juegan dentro de la célula vegetal, hipotetizando que forman un tercer tipo de líquido (diferente del acuoso y lipídico). Tomando en cuenta dichos compuestos (mediante años de estudio en metabolómica) diseñaron algunas mezclas denominándolas Disolventes Eutécticos Profundos Naturales, NaDES, por sus siglas en inglés. Asimismo, mediante experimentos de RMN, observaron que la combinación entre el cloruro de colina como aceptor de puentes de hidrógeno y glucosa, fructuosa, ácido cítrico y málico, entre otros donadores de puentes de hidrógeno, establecían fuertes enlaces supramoleculares, reteniendo el agua presente.
Figura 1. Diagrama de fases de una mezcla binaria, donde se aprecia que la mezcla en proporciones molares exactas de dos compuestos sólidos puede modificar su punto de fusión y congelación.
Posteriormente observaron que los NaDES dentro de la célula vegetal actuaban como transportadores (solubilizan) de metabolitos secundarios como la rutina (flavonoide), destacando que tiene mayor capacidad de solubilizarla que la misma agua, siendo por ello que se pueden encontrar cantidades superiores de metabolitos dentro de las células vegetales. Otro hallazgo importante fue que se ayudó a comprender el fenómeno de criopreservación, tolerancia a bajas temperaturas y a sequías en las plantas, ya que se observó que, bajo estas condiciones, se producen altas cantidades de azúcares y aminoácidos (NaDES), los cuales ayudan a mantener estables las enzimas, membranas y otros metabolitos.
Figura 2. NaDES formados de metabolitos presentes en las plantas (1 ácido succínico, 2 fructuosa, 3 glucosa 4 ácido málico, 5 Ac. succínico:Fructuosa:Glucosa 1:1:1 proporción molar; 6 Ac. succínico: ácido málico 1:1 proporción molar.
En una siguiente entrega, les presentaremos cómo se fueron aplicando los NaDES para extraer metabolitos secundarios de relevancia biológica de fuentes naturales, sus ventajas, cualidades y características, además de indagar en su potencial uso en industrias como la farmacéutica para el desarrollo de nutracéuticos, cosmecéuticos y medios solubilizantes de
medicamentos.
Referencias
1 Abbott, A.P., Capper, G., Davies, D.L., Rasheed, R.K y Tambyrajah, V. Novel solvent properties of choline chloride/urea mixtures. Chemical Communications 1: 70-71. 2002. https://doi.org/10.1039/B210714G.
2 Choi, H.Y., Spronsen, J., Dai, Y., Verberne, M., Hollmann, F., Arends, I.W.C.E., Witkamp, G.J. y Verpoorte, R. Are Natural Deep Eutectic Solvents the Missing Link in
Understanding Cellular Metabolism and Physiology? Plant Physiology 156(4): 1701-1705. 2011. https://doi.org/10.1104/pp.111.178426.
Colaboración de Luis Alfonso Jiménez-Ortega y José Basilio Heredia, investigadores del Laboratorio de Alimentos Funcionales y Nutracéuticos de la Coordinación Regional Culiacán del CIAD.
