CAPÍTULO 6

1. CAPÍTULO 6 QUÍMICA VERDE Y EFICIENCIA ATÓMICA

2. 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.

3. ¿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

4. 1- Prevención 7 – Uso de Alimentación Renovable 2 – Economía Atomómica 8 – Reducción de Derivativos 3 – Síntesis Química Menos Peligrosa 9 - Catálisis 12 principios 4 – Diseño de Químicos más Seguros 10 – Diseño para Degradación 5 – Solventes y Auxiliares más Seguros 11 – Análisis en tiempo real para la Prevención de Contaminación 6 – Diseño para Eficiencia Energética 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

5. 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

6. 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

7. Pequeña Revisión de las Metodologías de Química Verde • - Alimentación Alternativa. • - Solventes Verdes. • - Caminos de Síntesis. • - Química Inherentemente más Segura. Fuente : Green Chemistry, pp. 178

8. 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).

9. 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.

10. Identificación de Materias Primas Alternativas para Mejorar el Desempeño Ambiental • Minimización de la Generación de Desechos • Determinación de la cantidad de desecho producido por un material dado y de las alternativas. Es también importante considerar el tipo de desecho y su impacto. • Selectividad • ¿La selectividad de las sustancias minimiza los impactos ambientales en la sepración, etc.? • Eficiencia • Ofrece varios beneficios… No sólo basados en el rendimiento y selectividad. También considerando la economía atómica.

11. Elección de la Alimentación: Guía Básica Al investigar este campo, es útil emplear la taxonomía de métodos que 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 alternativaque sea renovable y menos tóxica a la salud humana y al ambiente. B. Uso de re-agentes inocuosque 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.

12. D. Uso de solventes alternativosque 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

13. 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.

14. Industrias Químicas que Generan Contaminantes Peligrosos A. Producción de Energía B. Manufactura y Proceso Petroquímico C. Plantas de Pulpa y Papel D. Producción de Compuestos Químicos E. Pesticidas

15. Menos Peligrosos: Salud Humana: Ambiente (Global y Local): Solventes Alternativos: Examine diversas opciones para minimizar todos los peligros El impacto que podría tener, debido a su gran cantidad. También es importante considerar su impacto ambiental Determine los efectos potenciales Incluye fluidos supercríticos, aplicaciones acuosas, solventes poliméricos/inmovilizados Líquidos iónicos, sistemas sin solventes y solventes orgánicos de peligrosidad reducida Criterio para Elegir Solventes

16. 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).

17. Elección del Camino Alternativo de Reacción • Eliminación (AB  A + B) • No requiere otras sustancias, pero genera cantidades estequeométricas de desechos que nos son parte de la molécula final deseada (target).

18. Ejemplo : Reacciones de Adición • 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

19. Proceso Industrial de Adición http://xnet.rrc.mb.ca/martins/Organic%203/addition.htm

20. Ejemplo : Reacciones de Substitución • 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

21. Ejemplo : Reacciones de Eliminación 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

22. Enfoque de Grupo Funcional a la Química Verde • Relación de la Estructura de Actividad • Usada para determinar una potencial modificación estructural que pudiera mejorar la seguridad de la sustancia. • Eliminación de Grupos Funcionales Tóxicos • Sustancias 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”.

23. Enfoque de Grupo Funcional a la Química Verde • Reducción para Bio-disponibilidad • Modificar o eliminar ciertas propiedades que causan las sustancias tóxicas para que sean bio-disponibles. • Diseñar para un Destino Inocuo • Diseñar sustancias para asegurar que se degraden después de su tiempo de vida útil.

24. Generalidades Cuantitativas/Optimización para el Diseño de Rutas de Síntesis en Química Verde Paso 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.

25. Paso 1 : Elaboración de Rutas Químicas Alternativas • La elección de grupos funcionales formadores de bloques incluyen a los grupos : • Presentes en elproducto. • 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.

26. Casos de Estudio y Ejemplos

27. Referencias • Programa de Química Verde de la EPA : • http://www.epa.gov/greenchemistry/index.html • Redes de Química Verde de Canada • http://www.greenchemistry.ca/ • Green Chemistry Magazine • http://www.rsc.org/is/journals/current/green/greenpub.htm • Otras References • http://www.chemistry.org/portal/a/c/s/1/acsdisplay.htmlDOC=greenchemistryinstitute\index.html