CAPÍTULO 6

QUÍMICA VERDE Y EFICIENCIA ATÓMICA

Temas del Capítulo• Definition of Green Chemistry. • Principios Básicos de la Química Verde.• Metodologías de la Química Verde.

- Alimentaciones Alternativas.- Solventes Verdes.- Rutas de Síntesis.- Química Intrínsecamente Más Segura.

• Casos de Estudios.• Referencias.

¿Qué es Química Verde?

“Es el diseño de procesos químicos, productos y tecnologías que reducen

o eliminan el uso y generación de sustancias peligrosas”

Fuentes:http://center.acs.org/applications/greenchem/

http://www.ec.gc.ca/p2progress/2000-2001/en/sec2_3_2.cfm

1- Prevención

2 – Economía Atomómica

3 – Síntesis QuímicaMenos Peligrosa

4 – Diseño de Químicosmás Seguros

5 – Solventes y Auxiliaresmás Seguros

6 – Diseño paraEficiencia Energética

7 – Uso de AlimentaciónRenovable

8 – Reducción de Derivativos

9 - Catálisis

10 – Diseño paraDegradación

11 – Análisis en tiempo real para la Prevención de Contaminación

12 – Química más Segura para la Prevención de Accidentes

Fuente : http://www.chemistry.org/portal/a/c/s/1/general.html?DOC=greenchemistryinstitute\gc_principles.html

Química Verde• Las áreas a las que se enfoca la Química Verde

de la EPA comprenden: - Uso de caminos de síntesis alternativos- Uso de condiciones alternativas de reacción- Diseño de químicos más seguros que sean,

menos tóxicos que las alternativas actuales o más seguros en la prevención de riesgos de accidentes.

Fuente : http://www.epa.gov/greenchemistry/docs/general_fact_sheet.pdf

Una Reacción Química Ideal:• Es Simple.• Es Segura.• Presenta Alto Rendimiento y

Selectividad.• Es Energéticamente Eficiente.• Usa Re-agentes y Materias Primas

Renovables y Reciclables.Fuente : Green Engineering, Allen and Shonnard, p. 177

Pequeña Revisión de lasMetodologías de Química

Verde- Alimentación Alternativa.- Solventes Verdes.- Caminos de Síntesis.- Química Inherentemente más Segura.

Fuente : Green Chemistry, pp. 178

Elección de la Alimentación

Siempre tenga en mente lo siguiente sobre la materia prima: - Persistencia, Bioacumulación y Toxicidad. - Viabilidad y Renovación.- Impacto Ambiental durante la Producción

(LCA – Análisis de Ciclo de Vida).

Identificación de Materias Primas Alternativas para Mejorar el

Desempeño Ambiental

• Inocuos Determinación de la peligrosidad asociada con las sustancias (usando métodos previamente discutidos) así como rutas alternativas si se requiere usar sustancias peligrosas.

• Minimización de la Generación de DesechosDeterminación de la cantidad de desecho producido por un material dado y de las alternativas. Es también importanteconsiderar el tipo de desecho y su impacto.

• Selectividad¿La selectividad de las sustancias minimiza los impactosambientales en la sepración, etc.?

• EficienciaOfrece varios beneficios… No sólo basados en el rendimiento y selectividad. También considerando la economía atómica.

Identificación de Materias Primas Alternativas para Mejorar el Desempeño Ambiental

Elección de la Alimentación: Guía BásicaAl investigar este campo, es útil emplear la taxonomía de métodosque desarrollan las NGETs. Por esto, empleamos las siete áreas de la química verde, una taxonomía que ha sido puesta para ayudar a describir la investigación de la químcia verde:

A. Uso de alimentación alternativa que sea renovable y menos tóxica a la salud humana y al ambiente.B. Uso de re-agentes inocuos que sean inherentemente menos peligrosos y que sean catalíticos.C. Empleo de procesos naturales—biosíntesis, biocatálisis, y biotecnología basada en transformaciones químicas para selectividad y eficiencia.

D. Uso de solventes alternativos que reducen el riesgo de daño y sirven como alternativas a solventes orgánicos volátiles, solventes clorados y otros químicos peligrosos usados actualmente.E. Diseño de químicos más seguros—con principios de toxicología para minimizar los peligros mientras se mantiene su necesidad funcional.F. Desarrollo de condiciones alternativas de reacciónque aumentan la selectividad y permite separaciones sencillas.G. Minimización del consumo de energía.

Fuente: http://www.rand.org/publications/MR/MR1682/MR1682.ch2.pdf

Industrias Químicas Contaminantes: Catálisis Ácida y Oxidación Parcial

Reacciones de ácidas catalizadas – reacciones líquidas en fase líquida.

Problemas – Las reacciones son catalizadas por un Bronstead fuerte (H2SO4, HF) y un Lewis soluble (AlCl3, BF3) que son difíciles de separar de un producto orgánico y esto conlleva a grandes volúmenes de desecho.

Alternativa: usar catalizadores heterogéneos.

Oxidación Parcial de moléculas orgánicas.

Problemas – los métodos de generación incluyen químicos tóxicos y corrosivos. Ej. Procesos basados en cobalto-ácido acético-bromuro, o usando Cr(VI) y Mn(VII). Producen grandes volúmenes de ácido orgánico y desecho metálico tóxico.

Alternativa: agentes catalíticos menos tóxicos.

Industrias Químicas que Generan Contaminantes Peligrosos

A. Producción de EnergíaB. Manufactura y Proceso Petroquímico C. Plantas de Pulpa y PapelD. Producción de Compuestos QuímicosE. Pesticidas

Less Hazardous :Scrutinize different options to minimize all hazards.

Human Health :The potential impact it might have, because of it’s large quantity.Also important to consider the environmental impact.

Environment (Global and Local) :Determine the potential effects.

Alternative Solvents :Include supercritical fluids, aqueous applications, polymerized/immobilized solvents,ionic liquids, solvent- less systems and reduced hazard organic solvents

Criteria to Select SolventsCriterio para Elegir Solventes

Menos Peligrosos:Examine diversas opciones para minimizar todos los peligros

Salud Humana:El impacto que podría tener, debido a su gran cantidad.También es importante considerar su impacto ambiental

Ambiente (Global y Local):

Determine los efectos potenciales

Solventes Alternativos:Incluye fluidos supercríticos, aplicaciones acuosas, solventes poliméricos/inmovilizadosLíquidos iónicos, sistemas sin solventes y solventes orgánicos de peligrosidad reducida

Elección del Camino Alternativo de Reacción

• Adición ( A + B AB)No se requieren tratar los desechos porque la reacción

es directa.

• Substitución (AB + C AC + B)Genera cantidades estequeométricas de sustancias

como subproductos y desechos que no son parte de la molécula deseada (target).

• Eliminación (AB A + B)No requiere otras sustancias, pero genera cantidades

estequeométricas de desechos que nos son parte de la molécula final deseada (target).

Elección del Camino Alternativo de Reacción

La adición de HX a un alqueno es una reacción de química orgánica, donde el HX, o enlace sigma del halógeno unido al átomo de carbono, se añade al enlace carbono-carbono para separa el doble enlace siguiendo la regla de Markovnikov(Se observa la regla de Markovnikov).

La fórmula química general de la reacción es:

C=C + HX H-C-C-X

Fuente: http://www.encyclopedia4u.com/a/addition-of-hx-to-an-alkene.html

Ejemplo : Reacciones de Adición

El intermedio es un ión halogenado (RX+)Alquil dihaluroHalogenuro

(X2)

Convertido a alcohol en presencia de borohidratode sodio (NaBH4)

Acetato Alquil de MercuroHgOCOOHAcetato de Mercurio

La hidrogenación controlada requiere paladio u óxido de platino

AlcaneH2

Hidratación controlada en Medio ÁcidoAlcoholH2O

H+ es electrofílicoSulfato Alquil HaluroH2SO4

H+ es electrofílicoAlquil HaluroRX

Haluro de HidrógenoHX

ComentarioProductoFuente Electrofílica

Proceso Industrial de Adición

http://xnet.rrc.mb.ca/martins/Organic%203/addition.htm

En química, la Sustitución Nucleofílica es un tipo de reacción química en la que un nucleófilo (donador de electrones) reemplaza a otro como un sustituyente covalente de algún átomo. En el ejemplo aquí dado, el átomo nucleofílico es el carbono.Un ejemplo de la sustitución nucleofílica es la hidrólisis de un bromuro de alquilo, R-Br, bajo condiciones alcalinas, donde el nucleófilo “atacante” es el ión hidróxido, OH-:

R-Br + OH R-OH + Br-

Se dice que el ión bromuro, Br-, es el grupo saliente. Source: http://www.encyclopedia4u.com/n/nucleophilic-substitution-reaction.html

Ejemplo : Reacciones de Substitución

Los Halogeno-alcanos tamben promueven Reacciones de Eliminación en la presencia de hidróxido de sodio o potasio.

El 2-bromopropano reacciona para generar un alqueno - propeno.Observe que un átomo de hidrógeno ha sido removido de uno de los átomos de carbón terminales junto con el bromuro. En todas las reacciones de eliminación simple, todas las “cosas” ha ser removidas se encuentran en los átomos de carbón adyacentes, y se establece un doble enlace entre estos carbonos.

Fuente: http://www.chemguide.co.uk/mechanisms/elim/elimvsubst.html#top

Ejemplo : Reacciones de Eliminación

Enfoque de Grupo Funcional a la Química Verde

• Relación de la Estructura de ActividadUsada para determinar una potencial modificación

estructural que pudiera mejorar la seguridad de la sustancia.

• Eliminación de Grupos Funcionales TóxicosSustancias en el mismo grupo funcional tienden a presentar

la misma toxicidad. Si es posible, eliminar cualquier sustancia de un grupo dado o disminuyendo su toxicidad hasta niveles “seguros”.

• Reducción para Bio-disponibilidadModificar o eliminar ciertas propiedades que causan las

sustancias tóxicas para que sean bio-disponibles.

• Diseñar para un Destino InocuoDiseñar sustancias para asegurar que se degraden

después de su tiempo de vida útil.

Enfoque de Grupo Funcional a la Química Verde

Generalidades Cuantitativas/Optimización para el Diseño de Rutas de Síntesis en

Química VerdePaso 1 : elegir un grupo molecular o grupo funcional

que formen bloques a partir de los cuales se pueda obtener la molécula deseada (target).

Paso 2 : identificar las restricciones estequeométricas, termodinámicas, económicas, etc. que puedan ocurrir.

Paso 3 : se puede usar un conjunto de criterios para identificar los caminos de reacción que requieran una futura revisión.

Paso 1 : Elaboración de Rutas Químicas Alternativas

La elección de grupos funcionales formadores de bloques incluyen a los grupos :- Presentes en el producto.- Presentes en cualquier materia prima industrial, com-productos o

sub-productos.- Que proveen los bloques básicos para las funcionalidades del

producto o funcionalidades similares.- Elegir conjuntos de grupos asociados con las rutas químicas

generales empleadas (cíclico, acíclico o aromático).- Grupos rechazados que violen las restricciones de propiedades.

Casos de Estudio y Ejemplos

ReferenciasPrograma de Química Verde de la EPA :

http://www.epa.gov/greenchemistry/index.htmlRedes de Química Verde de Canada

http://www.greenchemistry.ca/Green Chemistry Magazine

http://www.rsc.org/is/journals/current/green/greenpub.htm

Otras Referenceshttp://www.chemistry.org/portal/a/c/s/1/acsdisplay

.htmlDOC=greenchemistryinstitute\index.html