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
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)
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:
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
