Química verde en el futuro

LA QUÍMICA VERDE DEL FUTURO

https://www.redalyc.org/pdf/4435/443543706009.pdf

La química verde como principio es una nueva tendencia mundial que busca ofrecer alternativas ecológicas a productos o procesos, reduciendo o eliminando la producción de sustancias peligrosas, al mismo tiempo que se encarga de velar por la salud del ser humano en armonía con los recursos naturales.

En cuanto a los campos en los que se interviene, se presentan áreas como el uso de rutas sintéticas alternativas basadas en la química verde, el uso de condiciones de reacción alternativas basadas en la química verde y el diseño de sustancias químicas que sean, por ejemplo, menos tóxicas que las actualmente disponibles o intrínsecamente más seguras en términos de su potencial de accidentes.

A su vez, esta se rige bajo doce principios los cuales son:

• Prevención: Evitar la producción de residuos para así omitir la limpieza una vez se hayan formado.
• Economía atómica: Métodos de síntesis diseñados para incorporar materiales utilizados en el proceso del producto final, minimizando la formación de subproductos.
• Uso de metodologías hacia la toxicidad reducida: En la medida de lo posible, los métodos de síntesis deben diseñarse para utilizar y generar sustancias con poca o ninguna toxicidad, tanto para el ser humano como para el medio ambiente.
• Generar productos eficaces, pero no tóxicos: Los productos químicos deben estar diseñados para mantener su eficacia y reducir su toxicidad.
• Reducir el uso de sustancias auxiliares: Evitar, en la medida de lo posible, el uso de sustancias no esenciales (disolventes, reactivos para realizar separaciones, etc.) y, si se utilizan, deben ser lo más inofensivas posibles.
• Reducir el consumo de energía: Se catalogarán las necesidades energéticas por su impacto ambiental y económico, reduciéndolas en la medida de lo posible. Se buscará realizar los procesos de síntesis a temperatura y presión ambiente.
• Utilización de materias primas renovables: La materia prima debe ser preferentemente renovable e inagotable, siempre que sea técnica y económicamente viable.
• Evitar derivaciones innecesarias: Se evitará en lo posible la formación de derivados (grupos bloqueantes, grupos protectores/desprotectores, modificación temporal de procesos fisicoquímicos).
• Catálisis mejorada: En lugar de reactivos estequiométricos se utilizarán catalizadores, reutilizables en la medida de lo posible.
• Generar productos biodegradables: Los productos químicos serán diseñados para que al terminar su función no persistan en el medio ambiente, sino que se transformen en productos de degradación inocuos.
• Desarrollar metodologías analíticas para el monitoreo en tiempo real: Se desarrollarán metodologías analíticas que permitan el monitoreo y control en tiempo real del proceso, antes de la formación de sustancias peligrosas.
• Minimizar el potencial de accidentes químicos: Las sustancias utilizadas en los procesos químicos se elegirán para minimizar el riesgo de accidentes químicos, incluidos escapes, explosiones e incendios.

Asimismo, al visualizar las tendencias futuras de investigación y algunos desafíos en la química verde se encuentra la necesidad de generar polímeros, solventes que, junto a medios de catálisis, recursos renovables, métodos de análisis, síntesis y diseño de dichos compuestos se buscará emplear químicos menos peligrosos en la producción industrial.

En ese sentido, se plantean los siguientes retos para encaminar a la sociedad a invertir en química sostenible:

En el campo de la bioquímica se buscará comprender las enzimas para diseñar catalizadores biomiméticos artificiales que sean igual de eficientes, siendo que deberá buscarse el desarrollo de sistemas químicos organizados que emiten el funcionamiento de las células biológicas.

En cuanto a la alimentación de generaciones futuras, será necesario cubrir la demanda de alimentos seguros comprobados, ello implica la investigación sobre cultivos resistentes a plagas y el desarrollo de agroquímicos ecológicamente correctos.

Para ello será necesario generar materiales que cumplan las necesidades contempladas siendo qué; la industria necesita materiales estructurales mejorados, como también el desarrollo de métodos de reutilización de materiales reciclados y el desarrollo molecular de biopolímeros y moléculas pequeñas.

Finalmente, acerca del medio ambiente deberá buscarse el desarrollo de productos químicos no nocivos y el desarrollo de biocatalizadores no generadores de residuos.

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La química debe tener como primera acción, la preparación aceptable de un compuesto orgánico que implica una reacción eficiente junto a su facilidad de aislamiento y purificación de la mezcla de reacción (Curzons, et al. , 2001). Por ello, se debe tomar en cuenta los siguientes parámetros:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2001/gc/b007871i

• Eficiencia másica , que tiene en cuenta el rendimiento de la reacción:

[pic 2]

• La intensidad de masa a, que también tiene en cuenta la masa del disolvente utilizado:

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• Factor ambiental (factor E ), donde el parámetro importante está relacionado con los residuos generados (Sheldon, 2007):

[pic 4]

• Cociente ambiental, obtenido al multiplicar el factor E por un factor Q que refleja la naturaleza del residuo y su impacto ambiental. Por ejemplo, NaCl tiene un valor Q = 1, mientras que los metales pesados pueden tener un valor Q de 100-1000. Para asignar el factor Q se consideran: la ecotoxicidad, la capacidad de afectar la capa de ozono o provocar el efecto invernadero, la capacidad de provocar la acidificación del suelo o del agua, el potencial de eutrofización, la degradabilidad, etc.

• Ecoscale, que evalúa reacciones a escala de laboratorio y cubre una amplia gama de condiciones y técnicas utilizadas en química orgánica, como el precio de los reactivos, su peligrosidad, el equipo necesario, la temperatura y el tiempo de reacción, el aislamiento del producto y las condiciones de purificación

• Análisis de ciclo de vida (cradle to grave), metodología que tiene en cuenta todas las etapas del ciclo de vida de un producto químico, así como los impactos ambientales de los productos secundarios, disolventes, servicios auxiliares, etc. . utilizado durante su vida.

Sus elementos son:

• Materias primas.

• Formulación, fabricación y transformación.

• Empaque y distribución.

• Uso del producto.

• Reutilización, reciclaje, eliminación.

Por ejemplo, para analizar el ciclo de vida de un determinado disolvente, el uso de recursos no renovables para su producción, su toxicidad, su capacidad de degradación biótica o abiótica y otros impactos ambientales derivados de su uso, la emisión de gases contaminantes por su incineración o consumo intensivo de energía si se destilan para recuperarlos (Anastas y Lankey, 2000; Clark, 2006a; Kümmer, 2007).

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2000/gc/b005650m/unauth

Dentro de los subtemas abordados, los más resaltantes y que implicaran una mayor demanda en generaciones futuras, se desarrollan a continuación.

• Generar productos efectivos pero no tóxicos

Bajo el enunciado de que los productos químicos deben diseñarse para mantener su eficacia mientras se reduce su toxicidad, se espera que el diseño de productos químicos presupone un propósito de aplicación contra el cual se debe evaluar su desempeño. Sin embargo, tan importante como este aspecto es su impacto potencial en la salud humana y el medio ambiente. Los tres aspectos deben tener la misma importancia en la evaluación que debe conducir a la elección de un producto, donde los aspectos económicos, sociales y ecológicos permitan una decisión sostenible.

Ejemplo de ello es el óxido de tributilestaño, un producto antiadherente empleado en pinturas para evitar la incrustación de organismos en las superficies metálicas, por ejemplo, en los barcos. Es un compuesto con una vida media en agua de mar de más de seis meses, su capacidad de bioconcentración (es decir, la capacidad de aumentar gradualmente la cantidad que se acumula en los tejidos de ciertos organismos vivos sin causar daño) es alta (104) y provoca toxicidad crónica, que afecta fuertemente a la fauna marina. A raíz de dicha problemática se ha optado por el uso del Sea-Nine™ (4,5-dicloro-2-N-octil-4-isotiazolin-3-ona), que no provoca toxicidad crónica y sufre una rápida biodegradación para generar productos no tóxicos (vida media < 1 h) y su capacidad de bioconcentración es baja (13). Esta sustancia fue desarrollada por Rohm and Haas y fue ganadora del Programa Presidencial de Premios a los Retos de la Química Verde en 1996

• Reducir el uso de sustancias auxiliares

Conlleva a evitar en la medida de lo posible el uso de sustancias no esenciales (disolventes, reactivos para realizar separaciones, etc.) y, en su caso, deberán ser lo más inofensivas posibles. Dichos disolventes son importantes como medio de reacción siendo mayoritariamente frecuentes en los procesos de purificación. Muchos de ellos presentan riesgos para la salud humana y el medio ambiente, principalmente debido a su volatilidad. Por lo tanto, una de las áreas más importantes de la química verde es la eliminación o sustitución con solventes no peligrosos que tienen un impacto ambiental limitado. Entre los solventes tradicionales que cumplen con estas características encontramos los siguientes: acetona, etanol, metanol, isopropanol, hexano, ácido acético y acetato de etilo. Sin embargo, se han desarrollado reacciones que se llevan a cabo sin solventes, así como solventes alternativos como: Agua, líquidos iónicos, sistemas de dos fases basados en compuestos fluorados, fluidos supercríticos como el CO2, disolventes biodegradables y biodisolventes.

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