viernes, 27 de julio de 2012

Poliuretanos

El 13 de noviembre de este año 2012 se cumplirán 75 años de la fecha en la que a un químico alemán, Otto Bayer, se le otorgara lo que constituye la patente fundamental de una versátil familia de materiales que están presentes en muchas aplicaciones de nuestra vida diaria, los poliuretanos. Quizás la más conocida sean las espumas de poliuretano, que se usan como aislantes acústicos y térmicos en casas y frigoríficos, para fabricar colchones y para otras muchas cosas. Pero también hay adhesivos de poliuretano, termoplásticos (o plásticos) de poliuretano y toda una gama de otros materiales con los que no os voy a aburrir. Lo que me interesa aquí es contar otra historia, relacionada con la Química, en la que la cabezonería de unos investigadores acabó poniendo las bases de un producto que ha sido fundamental en el éxito de una empresa tan importante como Bayer (cuyo nombre no se deriva del mencionado Otto Bayer, sino de otro Bayer que la creó y no tenía nada que ver con él).

Con sólo 31 añitos y en 1934, Otto Bayer llegó a ser el Director del Laboratorio Científico Central de la empresa en Leverkusen, un cargo que ponía bajo su mandato a muchos investigadores, en general mayores que él. Al principio no le quedó más remedio que lidiar con lo que se estaba entonces haciendo sobre colorantes sintéticos, cuyo mercado acaparaba la química alemana. Pero Bayer pronto comprendió que para prosperar había que diversificar y además de abrir líneas sobre plaguicidas, quedó prendado de la eclosión de nuevos materiales macromoleculares (lo que hoy llamamos polímeros o plásticos) y, particularmente, del trabajo que en la americana DuPont estaba realizando Wallace Carothers, el padre de las fibras de poliéster y de poliamida (podeis ver una entrada completita sobre el malogrado Carothers aquí).

Como contaba en esa entrada, la idea de Carothers parece sencilla ahora, pero en la época no era obvia. Tomemos el ejemplo de un éster, el acetato de etilo, el mismo que da ese olor a Pegamento Imedio antiguo a los vinos que se han echado a perder. El proceso es consecuencia de que el alcohol etílico o etanol, contenido en cualquier botella de vino que se precie, puede oxidarse en contacto con el aire a ácido acético, cuyas disoluciones en agua llamamos vinagre. De hecho, un vinagre se diferencia de un vino en que, básicamente, casi todo el alcohol se ha convertido en ácido acético. Si esa transformación ocurre en ciertas condiciones, el ácido acético que va apareciendo poco a poco reacciona con el propio etanol y forma acetato de etilo y agua, en una reacción que hasta los de Letras suelen conocer si han sido estudiantes aplicados: ácido más alcohol éster más agua. Y la reacción se acaba ahí, dando en nuestro caso el acetato de etilo, una molécula pequeñaja.

Carothers pensó, con buen criterio, que si en lugar de emplear una molécula con un grupo ácido (como el acético del vinagre) y otra con un grupo alcohol (como el etanol del vino) empleamos un diacido, con dos grupos ácidos, uno en cada extremo, y un diol, con dos grupos alcohol, uno en cada extremo, la reacción entre esos grupos de forma consecutiva tendría que dar lugar a una cadena con cientos o miles de grupos ésteres en su interior, por lo que lo llamamos poliéster. Y, dicho y hecho, lo consiguió, casi al mismo tiempo que a Bayer le hacían jefe del cotarro alemán. Extendiendo despues la jugada a reacciones entre diácidos y diaminas para dar poliamidas o nylons.

El amigo Otto había andado jugando durante su Tesis con una reacción parecida, la del fenil isocianato con aminas para dar ureas que, en este caso, no proporciona agua. Y razonando igual que Carothers pensó que si tuviera un diisocianato podría conseguir reacciones parecidas a las del americano. Pero, en aquella época, mentar un isocianato en Alemania era mentar la bicha porque, para producir isocianatos, la vía existente implicaba utilizar fosgeno, un gas de triste memoria, usado por primera vez por los alemanes, contra las tropas inglesas, en la primera Guerra Mundial en Bélgica, en diciembre de 1915. Así que cuando Bayer propuso la idea a sus inmediatos superiores hubo alguno que le dijo que "no parecía la persona más correcta para dirigir el Laboratorio Central". Algún otro, más experimentado en el uso del fosgeno, le invitó a abandonar la idea sobre la base de que "si hubiera intentado alguna vez obtener un isocianato a partir de fosgeno, no se le ocurriría obtener encima un diisocianato", prometiéndole desdichas sin cuento, desde ridículos rendimientos a explosiones sin control.

Pero nuestro hombre no se rajó y con ayuda de otros, tan piraos como él, consiguió una vía de síntesis a partir de tolueno que, convenientemente nitrado, daba una mezcla de 2,4- y 2,6-dinitrotolueno, que se reducían despues a los correspondientes diamino toluenos para, finalmente, y reaccionando con el odiado fosgeno daban los toluen diisocianatos (TDI) buscados.

Sin embargo, las tribulaciones no habían hecho más que empezar. Con esos TDIs y unos dioles, los químicos de Bayer obtuvieron un material del que sus colegas alemanes del momento se despepitaban. Lo que Bayer presentaba era una masa pringosa, pegajosa y consistente que dificilmente se hilaba como sus primos americanos de éxito (las poliamidas y los poliésteres, particularmente las primeras). Algunos ensayos se complicaban porque, en ciertas condiciones, el material se llenaba de burbujas, lo que provocó algún comentario irónico como el que "el material era muy adecuado para obtener imitaciones de queso suizo".

Pero haciendo del problema de las burbujas una idea a perseguir, Bayer y sus muchachos descubrieron que podían controlar a voluntad la formación de esas burbujas, usando algo tan simple como el agua, con lo que llegaron a obtener, finalmente, el material precursor de lo que hoy llamamos espumas de poliuretano.

El colmo de la mala suerte fue que cuando esas espumas estaban ya casi para ser fabricadas a gran escala, llegó la segunda Guerra Mundial. Y la cosa no estaba para espumas ni durante ni, sobre todo, despues de la Gran Guerra. Los aliados confiscaron la empresa, la partieron en pedazos y, solo a principios de los 50, la nueva Bayer resurgió de sus cenizas y las espumas de nuestro amigo pudieron empezar a fabricarse con éxito en 1952.


Setenta y cinco años despues de la patente original, una de nuestras estudiantes de Doctorado anda batiéndose el cobre con nuevas formulaciones de poliuretanos que tengan mejores propiedades frente al fuego. También es bastante cabezona y, por tanto, digna "nieta" o "biznieta" del gran Otto.

3 comentarios:

Anónimo dijo...

Mis ventanas son de un poliuretano de Bayer. ¿Me van a durar mas o menos que las de PVC?

El Búho dijo...

Difícil saberlo, Anónimo. Son tantas las variables a controlar para comparar unas y otras. En cualquier caso, creo que te aburrirás de ellas, porque son casi eternas. Al menos a mi eso me ha pasado.

Francisco dijo...

Este polímero es de una versatilidad impresionante!!!!! Un buen " juguete " para los Químicos

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Boredom is the highest mental state, según Einstein. Pero, a veces, aburrirse cansa. Y por eso ando en esto, persiguiendo quimiofóbicos.