Chimica e Ambiente

Lezioni d'Autoredi Giorgio Benedetti

Perché non c’è una “GeologiaVerde” o una ”AstronomiaVerde” ? Perché la chimica è lascienza che introduce nuovesostanze nel mondo e noiabbiamo una responsabilità peril 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 sostenibilitàambientale di un processo chimico sono:

Economia atomica

indica l'efficienza di un processo in termini dicapacità di trasferire nei prodotti finali gli atomipresenti nei prodotti di partenza

Fattore E

tiene conto di tutti i composti chimici usati percondurre una reazione e non solo quelli checompaiono 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 trasferirenei prodotti finali gli atomi presenti nei reagenti dipartenza

È definita come il rapporto percentuale tra il pesomolecolare del prodotto desiderato e la somma deipesi molecolari di tutti i prodotti della reazione.

A + B + C D

EA(%) = PMD

PMA+ PMB + PMC

x 100

Ef = Rifiuti totali kg

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 usatiper condurre una reazione (additivi, solventi,catalizzatori ecc.) e non solo quelli che compaiononella sua equazione stechiometrica

Viene calcolato come massa degli scarti di unareazione, diviso per la massa del prodotto desiderato,entrambe espresse in chilogrammi:

Elevato Ef Molti scarti

Forte

impatto

ambientale

Ef = Rifiuti totali kg

Prodotto kg

EF PER ALCUNE TIPOLOGIE DI PRODOTTI CHIMICI

Il valore del Ef varia a seconda del processo chimicoconsiderato

Nella produzione dei prodotti farmaceutici di norma lesintesi sono costituite da più stadi e utilizzanoquantità stechiometriche, impiegando grandissimequantità di solventi e generando un’elevata quantità disottoprodotti.

QUOZIENTE AMBIENTALE - ENVIRONMENTAL QUOTIENT

Il quoziente ambientale (EQ) prende in considerazionela natura del rifiuto. EQ deriva dal prodotto del Ef conun “quoziente di tossicità” (Q), assegnato in modoarbitrario

EQ = Ef x Q

Per esempio, si può assegnare 1 all’NaCl e un valoreda 100-1000 per un metallo pesante come il cromo,a seconda della sua tossicità

Q non dipende solo dalla tossicità, ma anche daivolumi prodotti e dalla facilità di smaltimento oriciclo

SCELTA DEI REAGENTI: SINTESI DELL’ACIDO ADIPICO

La Ricerca di materie prime alternative tende versol’impiego di materie prime più benigne, che sianorinnovabili o che riducano il rischio per l’uomo e perl’ambiente

Nel metodo biosintetico dell’acido adipico si utilizza il glucosioal posto del benzene e non vengono rilasciati nell’ambientesostanze 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 deicomposti organici consistono principalmente di saliinorganici

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 deicatalizzatori permette diottenere oltre che beneficinella salvaguardiadell’ambiente, anchenotevoli vantaggi in terminieconomici

È possibile utilizzarematerie prime derivate dafonti alternative, incondizioni di temperatura epressione più blande equindi con la necessità diminori consumi energetici eminori problemi legati allasicurezza

RUOLO DEI CATALIZZATORI

Esempio: sintesi dell’idrochinone

Sintesi dell'idrochinone attraverso il metodo tradizionale cheparte dall’anilina e quello catalitico che genera una quantitàinferiore di prodotti di scarto

10 kg (MnSO4, FeCl2, NaCl, Na2SO4)

< 1 kg

1 kg

LE ZEOLITI

Le zeoliti sono strutture formateda un insieme dei tetraedri SiO₄e AlO₄, uniti al vertice da atomi

di ossigeno, che delimitanospazi intercomunicanti dideterminate dimensioni,occupati da cationi (di solitosodio, calcio, magnesio,potassio, ecc.) e da acqua diidratazione

Esse mostrano notevole attività catalitica, lunga duratae in quanto catalizzatori eterogenei riducono ilproblema della separazione del catalizzatoredall’ambiente di reazione e risultano inerti dal punto divista di vista tossicologico e ambientale

USO DELLE ZEOLITI COME CATALIZZATORI

Esempio: reazione di acilazione

Confronto tra la reazione di acilazione dell’anisolo perottenere p-metossiacetofenone nel metodo tradizionaledi Friedel-Crafts (sopra) e mediante l’uso di uncatalizzatore di zeolite (sotto)

SCELTA DEI SOLVENTI

Si stima che circa l’85% della massa totale di prodottichimici utilizzati nell’industria farmaceutica siacostituita dai solventi

Il loro recupero ha un’efficienza del 50-80%

Uno degli obiettivi principali della chimica verde èl’eliminazione dell’uso dei solventi o lo sviluppo disolventi alternativi benigni

I solventi organici volatili (i cosiddetti VOC, VolatileOrganic Compounds) utilizzati in molte sintesiorganiche presentano un problema ambientale per laloro capacità di formare ozono e smog attraversoprocessi di ossidazione da radicali liberi.

SOLVENTI VERDI – I FLUIDI SUPERCRITICI

Una delle più promettenti alternative ai solventitradizionali 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 peruna sostanza pura (che per la CO2 sonorispettivamente 31,1 °C e 7,38 MPa) non esiste più ladistinzione tra fase liquida e fase vapore, ma esisteuna fase cosiddetta critica che esibisce proprietà cheappartengono ad entrambe le fasi

CO2 IN FASE SUPERCRITICA

La CO2 in fase supercritica assume le caratteristiche diun solvente non polare ed è paragonabile al n-esano

I fluidi supercritici possono esserefacilmente allontanati dall’ambientedi reazione perdepressurizzazione/espansione,consentendo un più agevolerecupero del prodotto, evitandol’uso di altre fasi di lavorazionequali estrazione, distillazione ecc.

Un’applicazione industriale dellaCO2 supercritica è l’estrazione dellacaffeina e di altri principi attivinaturali e farmaceutici e il lavaggioa secco degli indumenti

Avremo certezza che la “chimicaverde” ha avuto successoquando questa espressionesparirà perché sarà l’unicachimica che conosciamo

Paul Anastas

FINE