Biowaste-Derived Lagerstroemia speciosa Fruit Shell Ash (WELSA) as an Efficient Green Catalyst for One- Pot Synthesis of 2-Amino-4H-Benzochromenes

Resumen Técnico: Ceniza de la cáscara del fruto de Lagerstroemia speciosa derivada de biomasa (WELSA) como un catalizador verde

Planteamiento del problema
La síntesis de 2-amino-4H-benzochromenos, una clase de compuestos heterocíclicos con significativas aplicaciones farmacológicas (incluyendo actividades antimicrobianas, antioxidantes y neuroprotectoras), depende tradicionalmente de catalizadores homogéneos, reactivos tóxicos o sistemas heterogéneos costosos. Los protocolos existentes suelen sufrir desventajas como una alta carga de catalizador, tiempos de reacción prolongados, el uso de solventes peligrosos y la generación de un aumento significativo de residuos químicos. Además, la industria química enfrenta un desafío dual: gestionar el impacto ambiental de la síntesis orgánica y abordar la acumulación de biomasa agrícola. Existe una necesidad reconocida de sistemas catalíticos sostenibles, rentables y ambientalmente benignos que utilicen recursos renovables para facilitar reacciones multicomponente (MCR) bajo condiciones suaves.

Metodología
Los autores desarrollaron un novedoso catalizador derivado de desechos (WELSA) preparado a partir de las cáscaras de los frutos de Lagerstroemia speciosa (Familia: Lythraceae), una planta abundante en la región local de Maharashtra, India. La preparación consistió en lavar, secar y calcinar las cáscaras de los frutos a 700 °C para producir ceniza, la cual fue posteriormente extraída con agua destilada para crear un filtrado alcalino (pH 11).

Este extracto acuoso se empleó como catalizador para la síntesis de un solo paso (one-pot) y de tres componentes de 2-amino-4H-benzochromenos. El sistema de reacción combinó:

1. $\alpha$- o $\beta$-naftol (1 mmol)
2. Aldehídos aromáticos con diversas sustituciones (1 mmol)
3. Malononitrilo (1 mmol)

Las reacciones se llevaron a cabo en etanol a temperatura ambiente. Las propiedades fisicoquímicas del catalizador fueron caracterizadas mediante análisis de FT-IR, XRD, SEM y TGA-DTA. Se propuso un mecanismo de reacción basado en la condensación de Knoevenagel seguida de una adición de Michael y una ciclación intramolecular, facilitada por los sitios básicos del catalizador.

Contribuciones clave

• Valorización de residuos: El estudio transforma con éxito las cáscaras de los frutos de Lagerstroemia speciosa, típicamente consideradas desechos agrícolas, en un material catalítico funcional.
• Protocolo de síntesis verde: El método elimina la necesidad de bases tóxicas, catalizadores metálicos costosos o condiciones de reacción severas (por ejemplo, alta temperatura o presión), operando eficazmente a temperatura ambiente.
• Caracterización del catalizador: La investigación proporciona un análisis exhaustivo del catalizador, identificando las especies de potasio (K) como el componente activo predominante, junto con Ca, Mg, Fe y Si, que contribuyen a la basicidad superficial y la actividad catalítica.
• Reciclabilidad: El estudio demuestra la capacidad de reutilización práctica del extracto acuoso del catalizador a lo largo de múltiples ciclos sin una pérdida significativa de actividad.

Resultos

• Composición del catalizador: El análisis EDX reveló un alto contenido de potasio (25.65 % en peso), corroborado por picos de XRD correspondientes a $K_2O$ y $K_2CO_3$. El FT-IR confirmó la presencia de enlaces metal-oxígeno, carbonatos y grupos hidroxilo. Las imágenes SEM mostraron una morfología porosa similar a una flor con una alta área superficial.
• Optimización: Mediante la variación sistemática de solvente, temperatura y volumen de catalizador, se identificaron las condiciones óptimas como 3.0 mL de extracto WELSA en etanol a temperatura ambiente. Bajo estas condiciones, la reacción modelo (benzaldehído, 1-naftol, malononitrilo) alcanzó un rendimiento del 95 % en solo 30 minutos.
• Alcance de sustratos: El protocolo se aplicó para sintetizar 18 derivados diferentes de 2-amino-4H-benzochromeno (4a–r) utilizando diversos aldehídos con grupos electroatractores y electrodonadores. Los rendimientos oscilaron entre el 82 % y el 95 %, con tiempos de reacción entre 20 y 40 minutos.
• Reutilización: El catalizador fue reutilizado durante cinco ciclos consecutivos. Los rendimientos aislados se mantuvieron altos, disminuyendo solo ligeramente del 95 % en la primera corrida al 86 % en la quinta corrida, lo cual se atribuye a la pérdida menor de catalizador durante el aislamiento.
• Desempeño comparativo: En comparación con otros catalizadores reportados (incluyendo líquidos iónicos, bases minerales y otros extractos biogénicos), el WELSA demostró una eficiencia superior o comparable, logrando altos rendimientos a temperatura ambiente con un tiempo de reacción más corto que muchos métodos existentes.

Significancia
El artículo afirma que este trabajo representa el primer reporte del uso de un extracto acuoso de la ceniza de la cáscara del fruto de Lagerstroemia speciosa como catalizador para esta transformación específica. La significancia radica en el desarrollo de un protocolo "verde" que se alinea con los principios de la química sostenible al utilizar un sustrato de biomasa renovable, no tóxico y de bajo costo. Los autores postulan que el alto contenido de potasio de la ceniza es el principal motor de su eficiencia catalítica para promover reacciones multicomponente. Al ofrecer una alternativa simple, eficiente y reciclable a los sistemas catalíticos convencionales, este enfoque aborda la necesidad de metodologías sintéticas ambientalmente benignas en la producción de andamiajes de benzochromeno bioactivos, ayudando potencialmente en el descubrimiento de fármacos y aplicaciones de la ciencia de materiales, mientras gestiona simultáneamente los desechos agrícolas.