Strategie generali per la conversione alla Green Chemistry Green Chemistry La Green chemistry affronta il problema della prevenzione dell’inquinamento e della riduzione di • Materie prime • Scarti • Rischi • Energia • Costi con un approccio bottom-up, cioè su scala molecolare Sfruttare i principi della Green Chemistry significa attuare una serie di principi che riducono o eliminano l’uso e la produzione delle sostanze pericolose durante tutte le fasi della lavorazione. Coinvolge i seguenti settori • Economia • Ingegneria • Politica • Etica • Ambiente • Chimica • Biologia • Tossicologia I 12 Principi della Green Chemistry (1-6) •Prevenzione E’ meglio prevenire gli scarti piuttosto che trattare o pulire dopo che sono stati prodotti •Economia dell’ Atomo I processi di sintesi dovrebbero essere progettati prevedendo di massimizzare l’incorporazione dei materiali usati nel prodotto finale •Sintesi chimiche meno pericolose Dove praticabile, i metodi di sintesi dovrebbero essere disegnati per usare e generare sostanze a ridotta tossicità per l’uomo e per l’ambiente •Progettare composti chimici sicuri I composti chimici dovrebbero essere funzionali e presentare bassa tossicità •Solventi ed agenti ausiliari più sicuri L’utilizzo di sostanze ausiliarie (solventi, agenti per la separazione) dovrebbe essere ridotta e comunque ristretta all’uso di sostanze innocue •Efficienza Energetica Il consumo di energia deve essere valutata dal punto di vista ambientale ed economico e deve pertanto essere ridotto. Processi condotti a temperatura ambiente e pressione atmosferica sono preferibili. Paul Anastas I 12 Principi della Green Chemistry (7-12) •Uso di materie prime rinnovabili Una materia prima dovrebbe essere rinnovabile quando tecnicamente ed economicamente fattibile. •Ridurre le derivatizzazioni L’uso di gruppi protettori e di passaggi di modificazione temporanea dovrebbe essere evitata in quando accompagnati da ulteriore consumo di reagenti e solventi. •Catalisi I reagenti catalitici dovrebbero essere preferiti a quelli stechiometrici. •Degradazione a fine utilizzo I prodotti chimici dovrebbero essere degradabili a prodotti innocui, senza lasciare tracce persistenti nell’ambiente. •Analisi in tempo reale per prevenire l’inquinamento Metodologie analitiche dovrebbero permettere il controllo in tempo reale, per prevenire lo sviluppo di sostanze pericolose . • Composti chimici più sicuri. Le sostanze e la loro forma fisica dovrebbero essere scelte in modo da minimizzare il rischio di incidenti (esplosioni, incendi, emissioni) Paul Anastas Parole chiave: Renewable sources Solvent-free RSC water / scCO2 Metal-free Alternative solvents enzymes Air atmosphere Wiley Supported/ Recyclable one-pot Catalyst-free Taylor & Francis Industria Produzione (ton) Raffinerie 106 - 108 Kg sottoprodotto/ Kg prodotto <0.1 4 6 1-5 10 - 10 2 4 5 - 50 10 - 103 25 - 100+ Bulk Chemicals 10 - 10 Fine Chemicals Farmaceutica ⇒Necessario migliorare i processi di chimica fine e farmaceutica A ∆ solvente B Diversi Solventi… A ∆ solvente B Photochemical ozone creation potential: Trimetilbenzeni (124-132), xileni (80-110), toluene (77), etanolo (44), acetone (18) Permissible exposure limits (ppm): Alcol allilico (2), piridina (5), acido acetico (10), cloroformio (50), cicloesanone (50), acetaldeide (200), acetone (1000) Acute ecotoxicity (LC50 fish): Eptano, esano (4), tetraidrofurano (10) ,cicloesano (34), acido acetico (75), diclorometano (220), acetone (5500), metanolo (15300) Lower-Upper Explosive limits (%): Eptano, esano (1-7), etere (2-36), acetone (3-13), etanolo (3-19) Solventi Classici: Diclorometano è il solvente clorurato raccomandato Solventi polari aprotici hanno poche alternative, DMSO è raccomandato http://www.chemistryinnovation.co.uk/stroadmap/roadmap.asp-id=84.htm http://www.chemistryinnovation.co.uk/stroadmap/roadmap.asp-id=84.htm Possibili sostituzioni: http://www.chemistryinnovation.co.uk/stroadmap/roadmap.asp-id=84.htm Alternative: Solventi organici meno comuni: alcol benzilico (sostituto di diclorometano), lattato di etile (sostituto di tricloroetilene), carbonato di propilene (sostituto di acetone, metiletilchetone) Condizioni Neat: situazione ideale, applicabile nell’industria petrolchimica e in pochi altri casi, miscelazione difficile H2O: economica, impatto ambientale nullo, non adatta per molti reagenti sensibili all’acqua, scarso potere solvente, difficile da purificare Liquidi ionici (IL): inerti, facili da riutilizzare, tensione di vapore assente, buone proprietà solventi, costosi, richiedono solventi per estrazione, non biodegradabili CO2 supercritica (73 bar, 30°C): economica, scarso impatto ambientale, richiede apparecchiature apposite per lavorare in pressione Solventi Fluorurati: inerti, facili da riutilizzare, volatili e persistenti nell’ambiente. Non adatto per reagenti Difficile da idroliticamente instabili purificare/ Abbondante, economica riciclare/ rimuovere Reazioni “ON water” Scarsa solubilità dei reagenti organici H2 O Elevata capacità termica reazioni Non esplosiva: compatibile con O2 Non infiammabile Stabilità redox “IN water” Reazioni in acqua Applicabili con successo per reagenti solubili (carboidrati ed aminoacidi) e nel caso in cui i prodotti siano insolubili: Applicabile a reazioni pericicliche, razioni che coivolgono carbocationi e carbanioni, carbeni, ossidazioni e riduzioni Accorgimenti utilizzati per espandere la gamma delle applicazioni -Uso di cosolventi organici -Uso di tensioattivi o molecole host -Modificazioni strutturali “innocenti” per solubilizzare reagenti e catalizzatori Reazioni “ON water” -Reazioni in sospensione, adatte anche per reagenti non solubili -Elevata semplicità -Adatte per reazioni multicomponente Sfruttano: -Elevata densità di energia di coesione dell’acqua dovuta al piccolo volume della molecola ed alla presenza di legami ad idrogeno (energia richiesta per separare un’unità di volume di molecole = calore di evaporazione/volume molare, 550 cal/ml), -Elevata tensione superficiale -Esaltazione di interazione idrofobiche e legami ad idrogeno coinvolti nello stato di transizione -Aumento dell’energia libera dei reagenti, utile per diminuire l’energia di attivazione Sharpless K. B. Angew. Chem. 2005, 117, 3339 All’interfaccia si trova il 25% di legami ad idrogeno non coinvolti in interazioni con altre molecole d’acqua Processo domino in water/on water + isomero Le reazioni on water possono essere condotte anche in presenza di altri reagenti disciolti in acqua. Questo permette di effettuare reazioni successive. L’anilina (3) forma una fase idrofobica (oil phase) che discioglie il chinone (5) ottenuto dall’ossidazione dell’idrochinone (4). Il prodotto di addizione (6) torna solubile in acqua dove viene ossidato da acqua ossigenata, come nel primo step. Il prodotto (2) è solubile nella fase idrofobica , ma quando l’anilina si consuma il prodotto (precursore di alcaloidi naturali) precipita dall’ambiente di reazione. C. S. P. McErlean et al. Green Chem., 2012, 14 , 605 - Liquidi Ionici • Struttura chimica facilmente modulabile, X N N [bmim+][X-] per ottenere composti con diverse proprietà chimico-fisiche ; • Sciolgono molti composti organici, inorganici e polimerici in piccoli volumi; usati per raccogliere e concentrare sostanze inquinanti/di scarto organiche ed inorganiche • Possono formare sistemi bifasici con acqua o solventi apolari a seconda della struttura; • Possono esibire acidità di Brønsted/ Lewis ed anche superacidità (pKa fino a -20) • Stabili all’aria, all’umidità fino a 300°C • Non infiammabili, non corrosivi (NB: alcuni sono esplosivi) Ossidazione del cicloottene con acqua ossigenata, catalizzata da poliossotungstati, in liquidi ionici Ossidazioni complesso ibrido, organico–inorganico polianionico [γ - SiW10O36(PhPO)2] 4 + H2O2 O N N [X-] Una terza fase acquosa permette di evitare che catalizzatore e ossidante si trovino in concentrazione troppo elevata nella stessa fase. , T = 50°C or MW Cicloottene in eccesso H2O2 (70% in H2O) IL + catalizzatore + H2O Cicloottene + epossido Separazione H2O Rimozione e ricarica Reazione IL + catalizzatore Estrazione e Riutilizzo Non irritante (come sc NH3, Acidi, ammine) Non infiammabile (come altri SCF a base di idrocarburi, alcoli, eteri, NH3, SiH4, N2O) Termodinamicamente stabile (olefine SC polimerizzano) Stabile in condizioni ossidanti NB Il costo di CO2 è tra i minori (< 3$ / Kg) (sottoprodotto nella sintesi di NH3 e H2) Non tossica, nè cancerogena, o mutagenica Bassa Tc (a differenza di H2O) scCO2 Non esplosiva (come altri SCF organici) Non permette la crescita di batteri Non corrosiva (come acidi SC o scH2O) Non provoca ustioni (come scH2O) risparmio energetico se riutilizzata Aumenta il rischio dovuto alla dispersione di sostanze chimiche! Estrazione da alimenti Produzione di oli essenziali estrazione di prodotti chimici senza cross-contamination Agente per rigonfiare i polimeri lavaggio a secco scCO2 Solvente di reazione per molecole lipofiliche, Idrocarburi, eteri, esteri, chetoni, lattoni, alcoli Sperazione di monomeri da polimeri Applicazioni in chimica analitica (cromatografia) Alterazione di azeotropi Sterilizzazione di materiali biologici delicati (proteine, DNA, tessuti), con acido peracetico Modificare la natura della reazione: Non sostenibile? Tossico? Pericoloso? Scarsa efficienza dell’atomo? A -preferire materie prime rinnovabili ∆ solvente B Tossico? Pericoloso? Non riciclabile? Persistente? Difficile da smaltire -Trovare alternative e variazioni della molecola desiderata -Circa il 10% dei prodotti dell’industria petrolifera viene usato per la produzione di materie prime -Considerare che un reagente proveniente dall’agricoltura richiede terreno e energia. Preferire un reagente proveniente da scarti di lavorazione di zucchero, legno, ecc. quali lignina, idrossiacidi, esteri. -CO2 e CO possono essere utilizzate come reagenti iniziali per ottenere semplici molecole organiche o per allungare catene alchiliche. -N2O è un ossidante che si ottiene sottoprodotto abbondante dell’ossidazione di ammoniaca (effetto serra > 200 volte di CO2) -Un prodotto può essere tossico perché presenta un determinato gruppo funzionale che agisce come recettore, solubilizzante, etc...: rimuoverlo o modificarlo può ridurre la biodisponibilità o la solubilità in ambienti acquatici Risorse rinnovabili: un esempio… CHO mais amido idrolisi H OH H OH HO fermentazione O HO acido lattico H H3C H OH OH CH2OH C H CH3 O CH3 O O dimerizzazione polimerizzazione C H3C n Acido polilattico O O O -possibile utilizzo di biomasse -fermentazione naturale -dal 20 al 50% di risparmio energetico -prodotto biodegradabile -possibilità, mediante idrolisi, di ottenere nuovamente monomeri riciclabili Esempio di ottimizzazione dell’efficienza atomica …sintesi dell’anidride maleica Ossidazione del benzene O + 4.5 O2 O + 2 CO2 + 2 H2O O Peso Molecolare 78 4.5 x 32 = 144 98 Economia Atomica % = 100 x 98/(78 + 144) = 44.1% O Ossidazione del butene + 3 O2 O + 3 H2O Peso Molecolare O 56 3 x 32 = 96 98 Economia Atomica % = 100 x 98/(56 + 96) = 64.5% … e sintesi dell’idrochinone.. NH 2 2 O + 4 MnO 2 + 5 H 2 SO 4 + (NH 4 )2 SO 4 + 4 MnSO 4 + 4H 2 O 2 O O OH + FeO + Fe + H 2 O O OH 18% efficienza atomica …vs Processo Upjhon: aumento dell’efficienza atomica mediante riciclo dei prodotti OH OH HO Cracking alcalino OH + OH HO + H2O2 OH + CH3COCH3 Riciclo sottoprodotti 2 HO + CH3COCH3 HO OH 100% efficienza atomica totale Funzionalità dei prodotti O O NH2 OH HS OH HO NH2 serina cisteina -effetti biologici simili (grazie alla capacità di accettare legami ad idrogeno) -diverse proprietà chimico fisiche (coefficiente di ripartizione) O O CH3 H3C N H H3C N N N N O CH3 caffeina N O CH3 -effetti biologici diversi : eccitante vs terapeutico contro l’asma -simili proprietà chimico fisiche teofillina Diverse Procedure Sintetiche A ∆ solvente B metodo vantaggi esempi Cambiare i reagenti utilizzati nei vari stadi Minore tossicità Meno scarti Un’ossidazione può essere eseguita con O2 invece che con NaOCl. Una riduzione con H2 o per via elettrochimica invece che con idruri. Individuare un numero Meno reagenti inferiore di passaggi o con maggiore efficienza atomica Meglio impiegare cicloaddizioni e riarrangiamenti piuttosto che sostituzioni e eliminazioni. Uso di catalizzatori Aumento di piuttosto che di selettività, reagenti stechiometrici minore energia di attivazione Uso di catalizzatori poco tossici ed economici, meglio se in condizioni eterogenee. La biocatalisi impiega enzimi in condizioni blande. Reazioni ad economia atomica Reazioni non-economiche Trasposizioni Sostituzioni Addizioni Eliminazioni Diels-Alder Wittig Altre reazioni concertate Grignard Reagenti Stechiometrici Sistemi Catalitici -Riducenti stechiometrici: -H2 (Pd/C, Ru, Rh, Pt) metalli (Na, Mg, Fe, Zn) o idruri metallici (LiAlH4, NaBH4) -Ossidanti: permanganato o cromati -H2O2 ([d0] V, Mo, W, Ti, TS-1); -O2 (Co, Ru, Fe, Pd/Cu) -Acidi di Lewis: AlCl3, ZnCl2 -Zeoliti solide (alluminosilicati) (es: Friedel Craft, riarrangiamenti) -Acidi e Basi di Brønsted (es: nitrazione aromatica, riarrangiamenti, condensazioni) -H+ da solidi acidi (eteropoliacidi di W) -OH- da idrotalciti (idrossidi idrati di Al e Mg) Esempio di ottimizzazione dei passaggi… sintesi del caprolattame OH O N O . NH2OH H2SO4 H2SO4 NH Elevate quantità di (NH4)2SO4 come sottoprodotto E = 8 Kg scarti per Kg di prodotto => uso di catalizzatori eterogenei - zeoliti OH N O NH3 + H2O2 TSI Scarichi minimi (acqua) e nessun sale E = 0.32 Kg scarti per Kg di prodotto Zeolite O NH Esempio di ottimizzazione dei passaggi… sintesi dell’ibuprofene Molecola con proprietà analgesiche ed antiinfiammatorie, utilizzata in molti farmaci La sintesi tradizionale di questa molecola (1960) consiste in un processo a sei stadi con scarsa efficienza atomica Nel 1991 è stata sviluppata e implementata una sintesi industriale di ibuprofene che consiste di tre stadi. In questo processo, molti atomi dei reagenti (tra cui H2 e CO) sono incorporati nel prodotto finale. Ibuprofene: 1960 HCl, AcOH, Al Waste Ac 2O HCl HCOOEt H 2O / H+ ClCH 2CO 2Et AlCl 3 NaOEt COCH 3 EtO 2C OHC O NH 2OH H 2O / H+ OHN N HO 2C H2O NH 3 Efficienza atomica 40% Ibuprofene: processo Höchst AcOH HF H2 / Ni CO, Pd Ac2O O HO Efficienza atomica 77% Uso di catalizzatori Resa più elevata Minor uso di reagenti ausiliari (solventi) HO2C Esempio di ottimizzazione dei passaggi… sintesi di 7-ACA (ACIDO 7-AMMINO CEFALOSPORANICO) via chimica… H H N HOOC S Si (CH3)3-Si-Cl H NH2 O N O H CH2OAc COOH CH2Cl2 NH O Si N(CH3)2 CEFALOSPORINA C N OOC N Si S Si OH NH C4H9O Si O N H - 50 °C H2N O Cl O N CH2OAc Si H2O NH2 NH S COO NH4OH H N Si Si O - 55 ° C OOC CH2OAc COO HOOC CH2OAc (DMA) OOC H N COO PCl5 Si O S S 7-ACA + O N CH2OAc COOH …e via enzimatica H N HOOC H NH 2 O 2 + H 2O S N H 3 + H 2O 2 H N O O CH 2OA c CEFA LOS P OR I NA C COOH N H OOC S N O O O D-amminoacido ossidasi CH 2OA c COOH H 2O 2 H 2 O, CO 2 H S H 2N C OOH + N COOH S N H OOC O C CH2OA c Glutaril -7-ACA acilasi N O O COOH AC. GLUTARICO 7-ACA •temperatura e pressione ambiente •numero di step inferiore •Protezione e deprotezione non necessarie CH 2OA c COOH GLUTARIL -7-ACA Diversi Metodi di Attivazione … A ∆ solvente B metodo vantaggi svantaggi fotochimico Basse temperature, Economico se impiega energia solare Costoso se UV Microonde Aumenta la velocità di reazione. Consente reazioni catalyst-free e solvent-free Difficile scale-up Process Intensification.. A ∆ solvente B Diminuzione del volume mediante strategie che tengono in considerazione i parametri cinetici della reazione: -Reattori a flusso continuo piuttosto che in batch -Reattori microfluidici, ad elevato S/V per aumentare l’efficienza dei trasferimenti di massa e calore. Possibili sistemi da usare in combinazione con microonde, o che utilizzano LED per condurre reazioni fotochimiche -Reattori a Membrana, in cui membrane organiche ed inorganiche sono utilizzate per supportare catalizzatori e per ottenere la separazione di prodotti (purificazione, aumento di resa) -Reattori multifunzione (reazione + separazione in un singolo stadio) Difficile contatto tra reagenti? Rischio di surriscaldamento? Difficile miscelazione? Rischio di esplosioni? Intensificazione di processo Miniaturizzazione Riduzione dei costi di investimento e di gestione Aumento della sicurezza Aumento efficienza energetica Aumento di resa e selettività Riduzione dei tempi di produzione Riduzione delle scorte di magazzino -diverse operazioni di un processo posso essere intensificate: dai reattori agli scambiatori di calore, le colonne di distillazione e i separatori -moduli compatti e multifunzionali possono essere preparati riunendo operazioni più tradizionali -reazioni veloci non devono essere rallentate dalla tipologia del reattore! Biocatalisi in Liquidi Ionici acilazione dell’ 1-ottanolo con acetato di vinile OH O Candida Antarctica Lipase + OAc OAc + H N - (CF3SO2)2N N+ 94% resa, 0.1kg/litro di reattore/h Alcohol, vinyl acetate scCO2 • Enzima immobilizzato in liquido ionico, riutilizzabile, fase non miscibile con scCO2 • Substrati introdotti con scCO2 ma più solubili in liquidi ionici • Prodotti solubili in scCO2 • Reazione in batch/riciclo o in flusso continuo Ester and acetaldehyde scCO2 recycled Ionic liquid + enzyme High pressure reactor Chem. Commun., 2002, 992.