Producción y usos del ácido protocatequiico

3,4-dihydroxybenzoic acid structure

El ácido 3,4-dihidroxibenzoico (ácido protocatequiico) es un ácido dihidroxibenzoico natural con una amplia gama de usos potenciales. Actualmente se está investigando como aditivo alimentario, agente farmacéutico, ingrediente cosmético y pesticida agrícola. El ácido protocatequiico generalmente se considera seguro, pero se deben evitar dosis altas.

Tabla de contenido

1. Propiedades físicas del ácido 3,4-dihidroxibenzoico

  • Fórmula molecular: C7H6O4
  • Masa molar: 154,1 g/mol
  • Apariencia: Sólido marrón claro
  • Punto de fusión: 203 °C
  • Densidad: 1,524 g/cm³ (a 4 °C)
  • Punto de fusión: 202 °C (396 °F; 475 K)
  • Solubilidad en agua: 18 g/L (a 14 °C), 271 g/L (a 80 °C)
  • Solubilidad en alcohol y éter: soluble

2. Reacciones químicas del ácido 3,4-dihidroxibenzoico

El ácido 3,4-dihidroxibenzoico (ácido protocatequiico) es un tipo de ácido fenólico que puede sufrir diversas reacciones químicas:

  • Descarboxilación para producir catecol cuando se calienta con álcali.
  • Eterificación con halógeno de metilo o sulfato de dimetilo para producir ácido vanílico.
Eterification of 3,4-dihydroxybenzoic acid to vanillic acid.
  • Reducción para producir protocatechualdehído y 4-(hidroximetil)benceno-1,2-diol.
Reduction of 3,4-dihydroxybenzoic acid
  • El ácido 3,4-dihidroxibenzoico puede formar varios ésteres, como 3,4-dihidroxibenzoato de metilo y 3,4-dihidroxibenzoato de etilo, mediante esterificación con metanol y etanol, respectivamente.
  • Condensación con otros compuestos para producir polímeros y otros derivados.
  • El ácido protocatequiico puede sufrir otras reacciones aromáticas como: nitraciónacilación y alquilación.

Biosíntesis

En los sistemas biológicos, el ácido 3,4-dihidroxibenzoico es un producto de la vía shikimato, que es una ruta metabólica de siete pasos utilizada por bacterias, hongos, algas, parásitos y plantas para la biosíntesis de aminoácidos aromáticos.

3. Producción de ácido protocatequiico

3.1. Producción de ácido protocatequiico a partir de vainillina.

Production of 3,4-dihydroxybenzoic acid from vanillin

La fusión alcalina de vainillina es el método más práctico para sintetizar ácido protocatequiico. Esta reacción oxida la vainillina a ácido vainílico, con liberación de hidrógeno. La desmetilación del ácido vanílico a ácido protocatequiico ocurre a un ritmo limitado entre 210 y 235 °C, pero la desmetilación completa solo ocurre a temperaturas superiores a 240 y 245 °C.

Para sintetizar ácido protocatequiico a partir de vainillina, se mezclan hidróxido de sodio, hidróxido de potasio y agua en un reactor de acero inoxidable. También se puede utilizar hierro o níquel. La mezcla se calienta y se agita hasta que alcanza 160°C.

La vainillina se añade gradualmente, manteniendo la temperatura entre 190 y 195°C. Se mantiene la agitación y el calentamiento continuos hasta que la temperatura alcanza 240-245°C. Después de 5 minutos de reacción se detiene el calentamiento y la mezcla se agita mientras se enfría.

Una vez que la mezcla se ha enfriado a 150-160°C, se agrega agua y se agita hasta que la mezcla de fusión se disuelva por completo. Después de pasar gas dióxido de azufre a través de la mezcla durante 2 minutos y acidificar la mezcla completamente con ácido clorhídrico, se enfría la mezcla acidificada y el precipitado cristalino se filtra y se lava con agua fría.

Los cristales tostados de ácido protocatequiico se funden a 196-198°C y el rendimiento de ácido protocatequiico crudo es del 89%.

La proporción de hidróxido de sodio a hidróxido de potasio no es crítica, siempre que la cantidad total de álcali sea superior a 7 moles. Las mezclas con 10-60% de hidróxido de sodio se vuelven líquidas a 120-130°C. Porcentajes más altos de hidróxido de sodio pueden producir un ácido protocatequiico más oscuro, pero los rendimientos no se ven afectados significativamente hasta que la concentración de hidróxido de sodio alcanza el 70%.

El dióxido de azufre previene la formación de un producto de color oscuro cuando la mezcla de reacción se acidifica con un ácido fuerte.

Los cristales crudos tienen un color tostado claro y son adecuados para la mayoría de los propósitos. Puede purificarse aún más mediante recristalización en agua caliente, utilizando una proporción de 3:1 de agua por ácido y 1:10 de carbón activado por ácido. El ácido recristalizado es de color crema y se funde entre 199 y 200 °C.

3.2. Fermentación bateria

El ácido protocatequiico puede ser producido por varias cepas de bacterias. Por ejemplo, se han cultivado cepas de Corynebacterium glutamicum en un medio suplementado con glucosa para producirlo. De manera similar, cepas de Escherichia coli como DH5α, BL21 (DE3) y ATCC 321882 se han propagado en medio LB para producir ácido 3,4-dihidroxibenzoico.

Para producir ácido protocatequico, se mutan cepas de Brevibacterium o Corynebacterium que no pueden utilizar el ácido protocatequico como única fuente de carbono. Las cepas se cultivaron en medio completo y luego se replicaron en medio de agar mínimo que contenía glucosa y ácido protocatequiico como única fuente de carbono.

Se aisló una colonia que podía crecer en glucosa pero no en ácido protocatéquico para obtener Brevibacterium lactofermentum AJ12106 y Corynebacterium acetoacidophilum AJ12108. El cultivo aeróbico de estas cepas puede producir una gran cantidad de ácido protocatequiico.

3.3. Extracción de fuentes naturales.

Además de la producción bacteriana, el ácido protocatequiico también se puede aislar de diversas fuentes naturales. Se puede encontrar en la corteza del tallo de Boswellia dalzielii y en las hojas de Diospyros melanoxylon.

También es un metabolito importante de los polifenoles antioxidantes que se encuentran en el té verde. El ácido protocatequiico también se puede extraer de una variedad de plantas, incluido el té verde, las hojas de bambú y diversas frutas y verduras.

La producción de ácido 3,4-dihidroxibenzoico es un proceso complejo que implica la descomposición de moléculas más grandes en otras más pequeñas. Este proceso se ve facilitado por enzimas, que actúan como catalizadores para acelerar la reacción. El ácido 3,4-dihidroxibenzoico resultante puede luego extraerse y purificarse para su uso en diversas aplicaciones.

4. Usos del ácido 3,4-dihidroxibenzoico

El ácido 3,4-dihidroxibenzoico (PCA) tiene una amplia gama de usos debido a sus diversos efectos biológicos1.

  • Industria de alimentos y bebidas: el PCA se puede utilizar como antioxidante y conservante natural en alimentos y bebidas. Por ejemplo, se añade a algunos tés y zumos para prolongar su vida útil.
  • Industria farmacéutica: se está investigando el ácido protocatequiico como posible agente terapéutico para una variedad de enfermedades, incluido el cáncer, la enfermedad de Alzheimer y la enfermedad inflamatoria intestinal. Los estudios preclínicos han demostrado que tiene efectos antitumorales, protege contra la neurotoxicidad y reduce la inflamación. También se está investigando como posible tratamiento para la COVID-19.
  • Industria cosmética: el ácido protocatequiico se utiliza en algunos productos cosméticos por sus propiedades antioxidantes y antienvejecimiento. Por ejemplo, se agrega a algunos protectores solares y humectantes.
  • Industria agrícola: se está investigando el ácido protocatéquico como potencial pesticida y fungicida. Los estudios han demostrado que puede inhibir el crecimiento de ciertos patógenos vegetales.

Investigación emergente

Además de los usos potenciales enumerados anteriormente, el ácido protocatequiico también se está investigando por su papel potencial en el tratamiento de otras enfermedades y afecciones, que incluyen:

Obesidad: se ha demostrado que el ácido protocatequiico reduce el peso corporal y la masa grasa en estudios con animales.

Diabetes: se ha demostrado que el ácido protocatequiico mejora el control del azúcar en sangre y reduce la resistencia a la insulina en estudios con animales.

Enfermedad cardiovascular: se ha demostrado que el ácido protocatequiico reduce los niveles de colesterol y mejora la función de los vasos sanguíneos en estudios con animales.

Enfermedades neurodegenerativas: se ha demostrado que el PCA protege contra la neurotoxicidad y mejora la función cognitiva en estudios con animales.

El ácido protocatequiico es un compuesto prometedor con una amplia gama de beneficios potenciales. Se necesitan ensayos clínicos en humanos para confirmar la seguridad y eficacia del PCA para el tratamiento de diversas enfermedades y afecciones.

5. Toxicología del ácido 3,4-dihidroxibenzoico

El ácido protocatequiico generalmente se considera seguro para el consumo. La LD50 del ácido protocatequiico en ratas es de 5000 mg/kg. Sin embargo, dosis altas de ácido 3,4-dihidroxibenzoico pueden provocar molestias gastrointestinales y otros efectos secundarios.

El ácido 3,4-dihidroxibenzoico puede provocar irritación ocular grave. También puede irritar el tracto respiratorio y provocar irritación de la piel. Por lo tanto, se deben tomar precauciones al manipularlo para evitar el contacto directo con los ojos, la piel y las vías respiratorias.

Referencias