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Tlamati Sabiduría, Volumen 7 Número Especial 2 (2016)
4° Encuentro de Jóvenes Investigadores – CONACYT 11° Coloquio de Jóvenes Talentos en la Investigación
Acapulco, Guerrero 21, 22 y 23 de septiembre 2016 Memorias
Síntesis de compuestos con potencial uso en celdas solares orgánica
Carmen Celeste Cruz Tecorral (Becaria) Unidad Académica de Ciencias Químicas Biológicas de la UAGro
Programa de Verano Delfín [email protected]
Área en la que participa: II Biología y Química
Dr. José Norberto Farfán García Profesor Titular C TC
Resumen
El uso de energía eléctrica es tan necesaria que al reconocer el agotamiento de las reservas de
combustibles el ser humano ve la opción de otras fuentes de energía, más allá de esto busca
opciones renovables, limpias y de un bajo costo, que no produzcan contaminantes. Se trata de
aprovechar lo que el ambiente nos proporciona, es así como existe la energía eólica,
hidroeléctrica y dentro de ella, energía solar. El silicio, selenio, entre otros metales eran los
materiales fundamentales de las celdas solares, su producción sin embargo tiene un elevado costo
por la manufactura de técnicas estrictas que lleva el proceso de su elaboración, a pesar del
impacto que tuvo, el elevado costo no permite un amplio uso de esta tecnología. (Pérez, E. y
Maldonado, J.L. 2013). Con el descubrimiento de compuestos orgánicos semiconductores y el
efecto fotovoltaico los investigadores se han adentrado en estos últimos años a la síntesis de
compuestos que presenten la característica de ser orgánicos y que tengan propiedades opto
eléctricas, han reconocido desde entonces que compuestos como porfirinas, clorofila, carotenos
poseen el efecto fotovoltaico, estudios han demostrado también que los dipirrometanos de boro
(BODIPY) son compuestos orgánicos que poseen estas características. (Farfán M, et al. 2014)
4° Encuentro de Jóvenes Investigadores – CONACYT 11° Coloquio de Jóvenes Talentos en la Investigación
Acapulco, Guerrero 21, 22 y 23 de septiembre 2016
El uso de este compuesto puede ser amplio, sin embargo el interés hacia las celdas solares es la
síntesis de varios derivados de BODIPY para demostrar su posible aplicación. Todos los
materiales empleados, disolventes y reactivos fueron adquiridos de la casa Sigma-Aldrich, la
síntesis del derivado de BODIPY se llevó a cabo en el Laboratorio de Química 202. El producto
obtenido se caracterizó mediante Resonancia Magnética Nuclear (RMN) de 1H. Si el compuesto
llega a demostrar las características apropiadas puede ser un material prometedor para su uso en
celdas solares.
Palabras Clave: BODIPY, Celdas solares, orgánico, síntesis.
Introducción
Con el avance de la tecnología se propone en estos últimos años mejorar de manera
renovable el aprovechamiento de luz solar, ha sido una opción que muchos ven favorable después
del agotamiento día con día de combustibles fósiles para el abastecimiento de energía en la
sociedad. Nuevas líneas de investigación están enfocadas recientemente en utilizar materiales
orgánicos para la producción de celdas solares. Desde años anteriores a partir de 1953 las
primeras celdas solares eran a base de silicio (Pagliaro M, Palmisano G & Ciriminna R 2008), su
importancia favoreció tanto que se logró la conversión de al menos el 18 % de luz solar a
potencia eléctrica (Camargo D. 2014 y Pérez E, Maldonado J L 2013)., ahora se pretende estudiar
diversos compuestos orgánicos que favorezcan a una máxima absorción de luz solar así como un
mayor tiempo de vida útil, conociendo que si se logra esta parte de antemano se favorecerá la
producción de las celdas por tener un más bajo costo pues la cantidad que se requiere llega a ser
baja (Camargo D. 2014) y es menos estricto a comparación de las celdas solares de silicio, porque
su manufactura abarca con técnicas estrictas a muy elevadas temperaturas y no es tan fácil de
manejar (Farfán M, et al. 2014) además es necesario recalcar que durante su producción emite
gases como CO2 y terminando su vida útil deja residuos como plomo, telurio de cadmio,
tetracloruro de silicio como lo menciona Barbosa O, Maldonado L et al. (2012).
Este avance aportará un beneficio que abastecerá demandas de energía eléctrica dentro de la
sociedad y contribuirá a disminuir la contaminación efectuada hacia el medio ambiente por otro
tipo de fuentes de energía como los combustibles fósiles.
Tlamati Sabiduría Volumen 7 Número Especial 2 (2016)
Los compuestos orgánicos están caracterizados por estar constituidos de Carbono e Hidrogeno, a
la vez formando uniones con átomos de Azufre, Flúor, Nitrógeno, Boro entre otros.
Cabe señalar que la línea de investigación está enfocada en compuestos de dipirrometano de boro
nombrados 4,4-difluoro-4-bora-3ª.4ª-diaza-s-indaceno y por sus siglas en ingles BODIPY que
son compuestos orgánicos que poseen enlaces π conjugados que como lo menciona la literatura
tienen la capacidad de absorber luz solar, son semiconductores (Farfán M, et al. 2014 y Günes S,
Neugebauer H, Sariciftci NS. 2007), son cromoforos que presentan color y foto-estabilidad
química, por lo que son utilizados como colorantes orgánicos, tienen buena solubilidad,
propiedades electroquímicas permitiéndoles ser oxidadas y así mismo reducidas. Su uso ha sido
variado desde celdas solares, biomarcadores, terapia fotodinámica (Zheng Q, Xu G, Prasad PN.
2008 y Ziessel R, Bonardi L, Ulrich G. 2006).
Nuestro interés hacia estos compuestos es sintetizar un derivado de BODIPY que presente un
grupo tiofeno en la posición meso del núcleo BODIPY que sea caracterizado por RMN, y
posteriormente lograr determinar su posible aplicación en celdas solares.
Materiales y Métodos
Los disolventes y los reactivos fueron adquiridos comercialmente de la casa Sigma
Aldrich y algunos se purificaron antes de su uso.
El monitoreo de las reacciones se llevó a cabo por medio de cromatografía en capa fina con
cromatoplacas comerciales de gel de sílice 60 F254, espesor de capa 0.2 mm, usando una lámpara
de UV.
La purificación de los productos se llevó a cabo por medio de cromatografía en columna rápida;
utilizando columnas empacadas con gel de sílice, Merck, tamaño de partícula 0.063-0.200 mm
(70-230 mesh ASTM) y gel sílice, Fluka, tamaño de partícula 0.04-0.063 mm (230-400 mesh
ASTM).
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Acapulco, Guerrero 21, 22 y 23 de septiembre 2016
Resultados
• Síntesis 5-((trimetilsilil) etinil)-2-tiofenocarboxaldehido (3).
La síntesis del compuesto 3, se llevó a cabo a partir del 5-bromo, 2-tiofenocarboxaldehido (1) (1
equiv.) (0.0157 mol) y etinil trimetilsilano (2 )(2.2 equiv.), bajo atmosfera de N2 utilizando 10%
mol de Pd(PPh3)2Cl2 y 5% mol de CuI como catalizadores a 80 °C por 12 horas bajo agitación
constante, el avance de la reacción se siguió mediante cromatografía en placa hasta observar la
desaparición de la materia prima. Una vez terminada la reacción se procedió a evaporar el THF
en rotavapor, el crudo se redisolvió diclorometano (30 mL) y se lavó utilizando una solución
saturada de NaCl (3 X 20 mL), la fase orgánica se secó con MgSO4 anhidro. La mezcla se
purifico mediante columna cromatográfica de gel sílice con una fase éter: acetato de etilo (97:3),
obteniendo el compuesto puro como un sólido café con un rendimiento del 33.52 % (Esquema 1),
el cual se caracterizó mediante RMN de 1H (Figura 1)
Esquema 1. Sintesis del 5-((trimetilsilil) etinil)-2-tiofenocarboxaldehido (3).
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Figura 1. Espectro de RMN de 1H a 300 MHz del compuesto 3.
• Síntesis 2-etinil-5-tiofenocarboxaldehido
La desprotección del compuesto 3, se llevó a cabo utilizando K2CO3 como base (1.2 equiv.) en
metanol como disolvente (15 mL) la reacción se dejó en agitación por una hora, una vez
transcurrido este tiempo se adicionaron 30 mL de diclorometano y la fase orgánica se lavó con
una solución saturada de NaCl (3 X 20 mL). El crudo de reacción fue purificado mediante
columna cromatográfica utilizando una fase éter: acetato de etilo (90:10), obteniendo el
compuesto puro como un sólido café con un rendimiento del 99.66 % (Esquema 2).
Esquema 2. Desprotección del compuesto 3.
• Síntesis de m-2etinil-5-tiofeno-4,4-difluoro-4-bora-3ª.4ª-diaza-s-indaceno (5).
4° Encuentro de Jóvenes Investigadores – CONACYT 11° Coloquio de Jóvenes Talentos en la Investigación
Acapulco, Guerrero 21, 22 y 23 de septiembre 2016
El compuesto 5 se sintetizo a partir del derivado (4), el cual se hizo reaccionar primeramente con
pirrol (8 equiv.) y una gota de ácido trifluoroacético bajo atmosfera de nitrógeno, dejando en
agitación por 45 minutos. Una vez transcurrido este tiempo se evaporo el pirrol restante con
hexano y el crudo se redisolvió en diclorometano, se colocó nuevamente bajo atmosfera de
nitrógeno, antes de agregar 1,2 equiv, de DDQ después de 30 minutos en agitación se agregaron
el BF3•OEt y Et3N lentamente dejando en agitación 2 horas más. Durante 1 hora, el avance de la
reacción se siguió mediante cromatografía en placa hasta observar la desaparición de la materia
prima.
El crudo de reacción se purifico mediante columna cromatográfica utilizando una mezcla 90:10
de éter: acetona, obteniendo el compuesto puro como un aceite rojizo con un rendimiento del
62.85 %. El compuesto se caracterizó mediante RMN de 1H, en el cual el espectro corresponde a
lo reportado por el grupo de investigación (Esquema 3).
Esquema 3. Síntesis de 5.
• Síntesis del derivado de BODIPY (7)
El compuesto 7 se obtuvo a partir de una reacción de Sonogashira entre el BODIPY 5 y el
compuesto sintetizado 6, utilizando 10 % mol. de Pd(PPh3)2Cl2 y 5 % mol de CuI como
catalizadores utilizando THF anhidra en presencia de (iPr)2NH (1.65 equiv.), la reacción se
calentó a 60 °C por 14 horas (Esquema 4), obteniendo el crudo de reacción como un sólido
morado el cual se purifico mediante columna cromatográfica utilizando una fase (95.05) hexano-
AcOEt, obteniendo el producto de un color rosa a rojizo, mostrándose anaranjado fluorescente
bajo la luz ultravioleta. (Figura 2).
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Esquema 4. Síntesis del derivado de BODIPY 7.
Figura 2. Derivado del BODIPY en diclorometano. Izquierda: Rosa. Derecha: Anaranjado
fluorescente bajo luz UV.
Discusión y conclusiones
4° Encuentro de Jóvenes Investigadores – CONACYT 11° Coloquio de Jóvenes Talentos en la Investigación
Acapulco, Guerrero 21, 22 y 23 de septiembre 2016
Las reacciones efectuadas para la síntesis del compuesto derivado de BODIPY se basaron
en acoplamientos entre moléculas diferentes con Paladio e Ioduro de cobre como catalizadores
pues gracias a la estructura química del BODIPY es ajustable a llevarse a cabo las reacciones de
acoplamiento como en este caso Sonogashira con Pd (PPh3)2Cl2, reacciones como Suzuki y Keck.
El compuesto sintetizado presento enlaces π conjugados en toda su estructura y se obtuvo de un
color rosa a rojizo, su estructura está conformada con un grupo tiofeno en la posición meso del
núcleo BODIPY acoplado a un compuestos con enlaces π conjugados.
Agradecimientos
De la manera más atenta agradezco a la Universidad Autónoma de Guerrero por permitirme
lograr este pequeño paso en mi carrera, por inculcarme el que de verdad se puede lograr el
objetivo que uno espera. A la Universidad Nacional Autónoma de México por estar lleno de
grandes personas con unos conocimientos excepcionales dispuestos a enseñar al que lo desee, así
mismo a la Facultad de Química UNAM y dentro de ella a Doctor Norberto Farfán García y Dr.
José Emilio de la Cerda Pedro por guiarme a lo largo de este verano y que gracias a ellos y a todo
el grupo de trabajo de Química Orgánica de la Facultad por abrir las puertas a un nuevo campo
de conocimientos para mí, por las enseñanzas, hermandad, compañerismo entre otros valores que
nos fueron inculcando día con día.
De manera especial agradezco a mi familia por siempre estar conmigo, a mis amigos por el ánimo
mutuo que nos damos cuando más se necesita, a mis maestros porque cada uno es un mundo de
conocimientos y por el deseo que tienen de que los demás los adquieran.
Por ultimo agradezco al Programa Delfín por impulsar económicamente estos logros. Y que
gracias a esta oportunidad me permitió visualizar mis metas de otra manera, gracias a ella me
permitió conocer personas muy especiales y no dejo de mencionar los conocimientos que adquirí
durante la estancia. Gracias.
Referencias
Tlamati Sabiduría Volumen 7 Número Especial 2 (2016)
Barbosa O, Maldonado J, Ramos G, Pérez E., et al., (2012). Celdas solares orgánicas como
fuente de energía sustentable. Acta Universitaria, Universidad de Guanajuato. 22(5), 36-48
Camargo D. (2014). Celdas solares orgánicas: energía alternativa ecológica. Hipótesis, apuntes
científicos uniandinos. 16, 7-9.
Cívico J. (2012) Reacciones de acoplamiento carbono-carbono catalizadas por paladaciclos
derivados de oximas con cloruros orgánicos e imidazolilsulfonatos asistidas por microondas.
Tesis de Doctorado. Departamento de química orgánica. Universidad de Alicante.
Farfán M, Farfán N, Romero M, Arcos R, Santillán R. (2014). Síntesis de BODIPYs con posible
aplicación en celdas solares. Tesis de Maestría. Departamento de Química Orgánica. Universidad
Nacional Autónoma de México. 150p.
Günes S, Neugebauer H, Sariciftci NS. (2007) Conjugated polymer-based organic solar cells.
Chemical Reviews. 107(4): 1324-1338.
Pagliaro, M., Palmisano, G. & Ciriminna, R. (2008). Flexible Solar Cells. Weinheim: Wiley-
VCH.
Pérez, E. y Maldonado, J.L. (2013). Fuente alterna de energía renovable: Celdas solares
orgánicas. Entreciencias, 1, 19-29.
Zheng Q, Xu G, Prasad PN. (2008). Conformationally restricted dipyrromethene boron difluoride
(BODIPY) dyes: highly fluorescent, multicolored probes for celular imaging. Chemistry. 14 (19):
5812-9.
Ziessel R, Bonardi L, Ulrich G. (2006). Boron dipyrromethene dyes: a rational avenue for
sensing and light emitting devices. Royal Society of chemistry 23:2913-8.
![Untitled Document [tlamati.uagro.mx]tlamati.uagro.mx/t7e2/t7e2.pdf · Campos escalares en el formalismo de quintaesencia, ... Armando Emmanuel Vélez ... Inventario de la diversidad](https://img.pdfslide.tips/doc/110x75/5ba123ca09d3f2666b8bbb29/untitled-document-campos-escalares-en-el-formalismo-de-quintaesencia-.jpg)
