Diapositiva 1

Chimica e Ambiente
Lezioni d'Autore
di Giorgio Benedetti
Perché non c’è una “Geologia
Verde” o una ”Astronomia
Verde” ? Perché la chimica è la
scienza che introduce nuove
sostanze nel mondo e noi
abbiamo una responsabilità per
il loro impatto nel mondo
Ronald Breslow
LO SVILUPPO SOSTENIBILE E LA CHIMICA VERDE
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Sviluppo sostenibile
“Lo sviluppo che è in grado di soddisfare i bisogni delle
generazioni attuali senza compromettere la possibilità che
le generazioni future riescano a soddisfare i propri”
Commissione delle Nazioni Unite sull’Ambiente e lo Sviluppo (1987)
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La chimica verde (Green Chemistry)
“È l’utilizzo di un insieme di principi atti a ridurre o
eliminare l’uso o la generazione di sostanze pericolose
nella progettazione,
manifattura ed applicazione dei
prodotti chimici”
P.T. Anastas e J.C. Warner, (1998)
I DODICI PRINCIPI DELLA CHIMICA VERDE
SINTESI IDEALE SECONDO LA CHIMICA VERDE
Obiettivi che una sintesi chimica deve raggiungere per
rispettare i principi della chimica verde
METRICHE DELLA CHIMICA VERDE - GREEN METRIC
I principali parametri per stimare la sostenibilità
ambientale di un processo chimico sono:
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Economia atomica
 indica l'efficienza di un processo in termini di
capacità di trasferire nei prodotti finali gli atomi
presenti nei prodotti di partenza
Fattore E
 tiene conto di tutti i composti chimici usati per
condurre una reazione e non solo quelli che
compaiono nella sua equazione stechiometrica
Quoziente ambientale EQ
 prende in considerazione la pericolosità dei prodotti
ottenuti
ECONOMIA ATOMICA - ATOMIC ECONOMY
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Indica l'efficienza in termini di capacità di trasferire
nei prodotti finali gli atomi presenti nei reagenti di
partenza
È definita come il rapporto percentuale tra il peso
molecolare del prodotto desiderato e la somma dei
pesi molecolari di tutti i prodotti della reazione.
A+B+C
EA(%) =
D
PMD
PMA+ PMB + PMC
x 100
Rifiuti totali kg
Ef =
Prodotto kg
ECONOMIA ATOMICA : REAZIONE DI SINTESI IBUPROFENE
Sintesi a sei stadi con EA del 40%.
Sintesi a tre stadi con EA del 77%
FATTORE AMBIENTALE – ENVIRONMENTAL FACTOR
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L’Environmental factor (Ef), introdotto da R.A.
Sheldon, tiene conto di tutti i composti chimici usati
per condurre una reazione (additivi, solventi,
catalizzatori ecc.) e non solo quelli che compaiono
nella sua equazione stechiometrica
Viene calcolato come massa degli scarti di una
reazione, diviso per la massa del prodotto desiderato,
entrambe espresse in chilogrammi:
Rifiuti totali kg
Ef =
Prodotto kg
Elevato Ef
Molti scarti
Forte
impatto
ambientale
EF PER ALCUNE TIPOLOGIE DI PRODOTTI CHIMICI
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Il valore del Ef varia a seconda del processo chimico
considerato
Nella produzione dei prodotti farmaceutici di norma le
sintesi sono costituite da più stadi e utilizzano
quantità stechiometriche, impiegando grandissime
quantità di solventi e generando un’elevata quantità di
sottoprodotti.
QUOZIENTE AMBIENTALE - ENVIRONMENTAL QUOTIENT
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Il quoziente ambientale (EQ) prende in considerazione
la natura del rifiuto. EQ deriva dal prodotto del Ef con
un “quoziente di tossicità” (Q), assegnato in modo
arbitrario
EQ = Ef x Q
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Per esempio, si può assegnare 1 all’NaCl e un valore
da 100-1000 per un metallo pesante come il cromo,
a seconda della sua tossicità
Q non dipende solo dalla tossicità, ma anche dai
volumi prodotti e dalla facilità di smaltimento o
riciclo
SCELTA DEI REAGENTI: SINTESI DELL’ACIDO ADIPICO
La Ricerca di materie prime alternative tende verso
l’impiego di materie prime più benigne, che siano
rinnovabili o che riducano il rischio per l’uomo e per
l’ambiente
Nel metodo biosintetico dell’acido adipico si utilizza il glucosio
al posto del benzene e non vengono rilasciati nell’ambiente
sostanze pericolose come l’ossido di azoto
ESEMPIO DI SINTESI: POLICARBONATI
A) processo che utilizza fosgene e diclorometano
B) processo “verde” senza fosgene e solventi
I PRODOTTI DI SCARTO DELL’INDUSTRIA CHIMICA
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I prodotti di scarto generati nella produzione dei
composti organici consistono principalmente di sali
inorganici
Ad esempio:

reazioni stechiometriche di riduzione con metalli (Na, Fe,
Mg, Zn) e idruri metallici (LiAlH4, NaBH4);

ossidazioni
con permanganato, ossidi manganese e
cromo;

reazioni di solfonazione, nitrazione o alogenazione che
usano quantità stechiometriche di acidi minerali (H2SO4,
HF, H3PO4) e acidi di Lewis (AlCl3, ZnCl2, BF3)
USO DEI CATALIZZATORI
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L’utilizzazione
dei
catalizzatori permette di
ottenere oltre che benefici
nella
salvaguardia
dell’ambiente,
anche
notevoli vantaggi in termini
economici
È
possibile
utilizzare
materie prime derivate da
fonti
alternative,
in
condizioni di temperatura e
pressione più blande e
quindi con la necessità di
minori consumi energetici e
minori problemi legati alla
sicurezza
RUOLO DEI CATALIZZATORI
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Esempio: sintesi dell’idrochinone
10 kg (MnSO4, FeCl2, NaCl, Na2SO4)
1 kg
< 1 kg
Sintesi dell'idrochinone attraverso il metodo tradizionale che
parte dall’anilina e quello catalitico che genera una quantità
inferiore di prodotti di scarto
LE ZEOLITI
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Le zeoliti sono strutture formate
da un insieme dei tetraedri SiO₄
e AlO₄, uniti al vertice da atomi
di ossigeno, che delimitano
spazi
intercomunicanti
di
determinate
dimensioni,
occupati da cationi (di solito
sodio,
calcio,
magnesio,
potassio, ecc.) e da acqua di
idratazione
Esse mostrano notevole attività catalitica, lunga durata
e in quanto catalizzatori eterogenei riducono il
problema
della
separazione
del
catalizzatore
dall’ambiente di reazione e risultano inerti dal punto di
vista di vista tossicologico e ambientale
USO DELLE ZEOLITI COME CATALIZZATORI
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Esempio: reazione di acilazione
Confronto tra la reazione di acilazione dell’anisolo per
ottenere p-metossiacetofenone nel metodo tradizionale
di Friedel-Crafts (sopra) e mediante l’uso di un
catalizzatore di zeolite (sotto)
SCELTA DEI SOLVENTI
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Si stima che circa l’85% della massa totale di prodotti
chimici utilizzati nell’industria farmaceutica sia
costituita dai solventi
Il loro recupero ha un’efficienza del 50-80%
Uno degli obiettivi principali della chimica verde è
l’eliminazione dell’uso dei solventi o lo sviluppo di
solventi alternativi benigni
I solventi organici volatili (i cosiddetti VOC, Volatile
Organic Compounds) utilizzati in molte sintesi
organiche presentano un problema ambientale per la
loro capacità di formare ozono e smog attraverso
processi di ossidazione da radicali liberi.
SOLVENTI VERDI – I FLUIDI SUPERCRITICI
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Una delle più promettenti alternative ai solventi
tradizionali è l’uso dell’anidride carbonica (CO2),
facilmente reperibile, non tossica, inodore e insapore,
nella fase di fluido supercritico (scCO2)
A determinati valori di temperatura e pressione per
una sostanza pura (che per la CO2 sono
rispettivamente 31,1 °C e 7,38 MPa) non esiste più la
distinzione tra fase liquida e fase vapore, ma esiste
una fase cosiddetta critica che esibisce proprietà che
appartengono ad entrambe le fasi
CO2 IN FASE SUPERCRITICA
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La CO2 in fase supercritica assume le caratteristiche di
un solvente non polare ed è paragonabile al n-esano
I fluidi supercritici possono essere
facilmente allontanati dall’ambiente
di
reazione
per
depressurizzazione/espansione,
consentendo
un
più
agevole
recupero del prodotto, evitando
l’uso di altre fasi di lavorazione
quali estrazione, distillazione ecc.
Un’applicazione industriale della
CO2 supercritica è l’estrazione della
caffeina e di altri principi attivi
naturali e farmaceutici e il lavaggio
a secco degli indumenti
Avremo certezza che la “chimica
verde”
ha
avuto
successo
quando
questa
espressione
sparirà perché sarà l’unica
chimica che conosciamo
Paul Anastas
FINE