Sistemi Solvente Sostenibili.Prof. Attilio Citterio

Dipartimento CMIC “Giulio Natta”

https://iscamapweb.chem.polimi.it/citterio/it/education/course-topics/

School of Industrial and Information Engineering

Course 096125 (095857)

Introduction to Green and Sustainable Chemistry

Attilio Citterio

2

Solventi Organici in Processi di Produzione.

Facilitazione e

mediazione di reazioni

intermolecolari

solvente/soluto via

molecole o ioni

Contaminazione da

prodotti volatili e tossici

Potenziale di

inquinamento ambientale

+

-

NB. quando si cambia un solvente, si variano MOLTI parametri!

Solvente

Tecnologia

Detergenza

Mezzo di

reazione

Separazione /

purificazione

Attilio Citterio

3

Perché Serve un Solvente?

Ampiamente usati dall’industria chimica:

Chimica Sintetica

• Mezzo in cui condurre le reazioni su scala di

laboratorio/industriale

• Dissolve i soluti e consente il trasporto di massa

• Stabilizza gli stati di transizione (talvolta

catalizzatore selettivo)

• Modera l’esotermicità dei processi

• Molto usati in lavorazioni/purificazioni dei grezzi

(ben più che un semplice mezzo di reazione).

Chimica Analitica

• Estrazione/preparazione di campioni;

• Cromatografia in fase mobile (HPLC, TLC).

Cristallizzazione

• Ricristallizzazione per purificare composti e

preparare cristalli (anche polimorfi).

Attilio Citterio

4

Altre Applicazioni dei Solventi.

Usati molto ampiamente anche al di fuori della sola chimica sintetica.

Rivestimenti:

Pitture, adesivi

• Il solvente è di norma rimosso per

evaporazione lasciando il rivestimento

• Rimozione di rivestimenti.

Pulizia

Per es. pulitura a secco – uso diffuso del percloroetilene, un noto

sospetto agente cancerogeno, che contamina anche le falde.

Estrazione

Per es.: decaffeinizzazione Caffè (EtOH,

etil lattato)

Per es.: aromi e profumi.

Attilio Citterio

5

Suddivisione del Mercato dei Solventi.

Totale 2100 : 4.1 milioni di tonnellate

EU-27 (2013) : 3.0 milioni di tonnellate

Altre; 8,2 Gomma e Plastica; 1,6

Pulizia a secco; 1,4

Estrazione oli; 2

Fitosanitari; 3,2

Adesivi; 3,7

Pulizia superfici; 3,9

Cosmetici; 6

Casalinghi; 6

Stampa; 8,4

Farmaceutica; 14,6

Pitture e rivestimenti; 41

Attilio Citterio

6

Solventi Usati in Pitture e Vernici.

Totale 2010 : 1.82 milioni di tonnellate

Altri; 1,4 Chetoni; 7,6

Alcoli; 7,6

Derivati di glicoli; 9,6

Esteri (acetici e glicoli);

12,5

Idrocarburi (Alifatici e

Automatici); 61,3

Attilio Citterio

7

Specifici Problemi dei Solventi nei Processi Chimici.

• Solubilità dei soluti e controllo della reazione

• Separazione (e riciclo?) dalla miscela di reazione

• Sicurezza e salute umana e ambientale

• Uno degli obiettivi principali è la rimozione del solvente dai soluti.

Soluto

Solvente

Applicazione

Prodotti

Solvente Ambiente

Riciclo

Importante la

tossicità o la

neutralizzazione.Importante l’energia

e l’efficienza

Importante la selettività

e la solubilità

Attilio Citterio

8

Proprietà dei Solventi.

• Solubilità (p. es. Kps)

• Polarità (vari parametri: ET, ecc.)

• Viscosità

• Volatilità

• Pericolosità

Tossicità intrinseca

Infiammabilità

Esplosività

Distruzione dell’ozono stratosferico

Produzione di ozono atmosferico

Potenziale di riscaldamento globale (gas serra).

Attilio Citterio

Proprietà di Pericolo Tossicità di vari solventi.

Tutti i valori in ppm.

Solvente Soglia

Odore

TLV IDLH Vapori saturi del

solvente a 21°C

Acido acetico 1 10 1 000 16 000

Acetone 100 750 20 000 250 000

Acetonitrile 40 40 4 000 94 000

Anilina 0.5 2 100 340

Benzene 5 10 2 000 105 000

n-Butil acetato 10 150 10 000 14 000

n-Butanolo 2.5 50 8 000 6 300

Cloroformio 250 10 1000 220 000

Diclorometano 250 100 5 000 500 000

Dietil etere 1 400 10 000 100 000

DMF 100 10 3 500 3 700

Etil acetato 1 400 10 000 100 000

9

Attilio Citterio

Proprietà di Pericolo Tossicità di vari solventi.

Tutti i valori in ppm.

Solvente Soglia

Odore

TLV IDLH Vapore saturo del

Solvente a 21°C

Etanolo 10 1000 20 000 60 000

Eptano 220 400 19 000 610 000

Isopropanolo 90 400 20 000 46 000

Metanolo 100 200 25 000 130 000

Nitrobenzene 6 1 200 270

n-Pentano 10 600 5 000 580 000

n-Propanolo 30 200 4 000 18 000

Piridina 0.02 5 3 600 22 000

Percloroetilene 5 50 500 22 000

Toluene 0.2 100 2000 31 000

Tricloroetilene 50 50 1 000 80 000

Xileni 0.05 100 10 000 9 200

10

Attilio Citterio

11Solventi in Reazioni Chimiche: Reazione di

Willgerodt.

• Reazione utile quando funziona

• Imprevedibile

• Meccanismo non chiarito

Usando metodi statistici, le condizioni di reazioni sono state

ottimizzate per 13 diversi solventi, variando 4 parametri.

R. Carlson, Acta Chem. Scand., 40. 694 (1986)

Attilio Citterio

12

SOLVENTE S Morfolina Ott. Tempo Ott. Resa %

moli moli Temp. Ore glc Isolato

Trietileneglicol 17 9.5 145 2 92.5 91

N-Metiiacetammide 2 6 120 2 82.1 80

Etanolo 3.7 13.4 80 22 86 84

3-Metiibutanolo 9.5 13.2 130 5 83.6 82

Chinolina 7.5 10.3 123 2 94 90

Benzene 11.6 12 80 22 85.1 85

Diisopropii etere 6.5 13.7 70 22 47 45

Note: 1. In MeCN, PhCOCS-morfolina è il prodotto prevalente

2. In PhCN non si ottiene prodotto

3. Maggiori reazioni collaterali in diisopropil etere e diossano

I risultati mostrano che ogni solvente ha le sue condizioni ottimali.

Reazione di Willgerodt - Condizioni Ottimali.

Attilio Citterio

13

Solubilità di Reagenti e Prodotti.

in anisolo, DMF e HMPA

in idrocarburi, CCl4

• Sciogliere A in B

KAA + KBB < KAB

• Il simile scioglie il simile

(eccezioni possibili: p. es. Metanolo in Benzene)

• I legami ad idrogeno sono molto importanti

Attilio Citterio

14Tipi di Interazioni con i Solventi:

Capacità EPD / EPA.

• p - donatori aromatici, olefine

• n - donatori alcoli, ammine

eteri, nitrili

• s - EPA alogenoderivati, chetoni, solfossidi

• p - EPA SO2

• H-donatori alcoli, acidi, acqua,

(usano legami ad H)

Attilio Citterio

15

q Alcuni composti sono più solubili in una miscela

di solventi che nei singoli componenti.

(p.es. sali di ammine in alcol/acqua)

I Solventi Influenzano la Dissociazione.

Ma

in CHCl3 in PhNO2

Attilio Citterio

16

q Effetti solvente tipici: 5-20 kJ·mol-1

q Talvolta arrivano a 40 kJ·mol-1

solvente 1

solvente 2

DG1*

DG2*

Effetti del Solvente sulle Energie di Attivazione.

reagenti

prodotti

Attilio Citterio

17

Costanti di equilibrio e frazioni molari a 33 °C

Solvente c(b) (cmol/mol) K = [cis][trans]

tert-Butanolo 24 0.32

Etanolo 45 0.82

Metanolo 62 1.63

Dimetilsolfossido 84 5.25

(b)

m = 15.8 10-30 C·m(a)

m = 8.7 10-30 C·m

Isomeria cis-trans.

Attilio Citterio

18

Solventi Aprotici.

2.3toluene

4.3dietil etere

9.1diclorometano

SolventeCostante

Dielettrica (D)Struttura

DMSO

acetonitrile

acetone

DMF

48.9

37.5

36.7

20.7

Polare

Nonpolare

CH3C≡N

(CH3)2C=O

(CH3)2S=O

CH2Cl2

(CH3CH2)2O

(CH3)2NHCHO

esano CH3(CH2)4CH3 1.9

C6H5CH3

Attilio Citterio

19

Tipo di Reazione

Reagenti iniziali

Complesso attivato

Variazioni nel corso della attivazione

Effetti dell’aumento della polarità del solvente su k

(a) SN1 R-X R+

·····X- Separazione di cariche

diverse

Forte aumento

(b) SN1 R-X R

+·····X

- Dispersione di cariche Piccola diminuz.

(c) SN2 Y + R-X

Y+

···R···X- Separazione di cariche

diverse Forte aumento

(d) SN2 Y- + R-X

Y-···R

+···X

- Dispersione di cariche Piccola diminuz.

(e) SN2 Y- + R-X

Y-···R···X

+ Dispersione di cariche Piccola diminuz.

(f) SN2 Y- + R-X

Y-···R

+···X

- Distruzione di cariche Forte diminuz.

I termini “forte” e “piccolo” derivano dalla teoria che dice che l’effetto della dispersione

della carica dovrebbe essere notevolmente inferiore dell’effetto della sua creazione o

distruzione e perciò hanno solo un significato relativo.

Effetti Solvente Previsto su Velocità di

Reazioni in Sostituzioni Nucleofile.

Attilio Citterio

20

Separazione di Carica

Solvente CCl4 Diossano CH3CO2H CH3OH H2O

k2(rel) 1 5.1 4860 1.6·105 1.1·1010

Effetti sulla Velocità di Reazione.

Attilio Citterio

21

Solvente k2(rel)

Dietil etere 1

1,4-Diossano 2.5

n-Esano 6.2

Benzene 40

Diclorometano 58

Cloroformio 122

R = Fenile

L’olefina è il cicloesene

Effetti su Velocità di Reazione (epossidazione).

Attilio Citterio

22

Solvente k2(rel)

Diisopropil etere 1

Benzene 3.5

Clorobenzene 5.0

Nitrometano 6.6

Nitrobenzene 11

o-Diclorobenzene 13

Effetti sulla Velocità di Reazione (Diels-Alder).

Attilio Citterio

23

Solvente k1(rel)

Etere etilico 1

Tetraidrofurano 17

Acetone 169

Dimetilformammide 980

Dimetilsolfossido 3600

Etanolo 1.2·104

Metanolo 3.2·104

Acido acetico 3.3·104

Acqua 1.3·106

Acido formico 5.1·106

Effetti sulla Velocità di Reazione(Trasposizioni - Reazioni del 1° ordine).

Attilio Citterio

24Solvatazione Specifica di Ioni

e Gruppi Uscenti.

• Il legame ad H su anioni può drammaticamente influenzare una reazione SN

• Il legame ad H sull’anione in uscita è preferito Velocità aumentata

• Il legame ad H sull’anione entrante è preferito Velocità ridotta

• Particolarmente importante in reazioni di decarbossilazione

q I > Br > Cl Metanolo

q Cl > Br > I DMF

q In MeCN, l’acetato è un eccellente nucleofilo

Attilio Citterio

25

Solvente k1(rel)

Acqua 1

Metanolo 34

Etanolo 135

Cloruro di Metilene 6.4·103

Etere etilico 1.2·104

Acetonitrile 3.9·105

Dimetilsolfossido 1.4·104

HMPT 9.5·107

Effetti sulla Velocità di Reazione (Trasposizioni

con dispersione di carica - Reazioni del 1° ordine).

Attilio Citterio

26

Solvente %-O %-C

1,4-Diossano 100 0

t-Butanolo 100 0

Etanolo 100 0

Dimetilformammide 100 0

Tetraidrofurano 96 4

Acqua 49 41

Trifluoroetanolo 37 42

Fenolo 22 78

Alchilazione all’O- vs. C- .

Attilio Citterio

27

Ciclizzazioni Orto vs. Para.

Solvente prodotto para prodotto orto

Tetraidrofurano 13 87

Metanolo 49 51

Attilio Citterio

28

Addizioni 1,2- vs. 1,4- .

Addizione 1,2

in THF o DMF

Addizione 1,4

in dietil etere

Attilio Citterio

29

Omolisi vs. Eterolisi.

Solventi di

bassa nucleo-

filicità

Solventi di

alta nucleo-

filicità

Attilio Citterio

30

Effetto sulla Enantioselettività.

Solvente % e.e.

Toluene 65

1,3,5-TMB 92

Toluene/PE 93

Toluene 65

1,3,5-TMB 92

Toluene/Esano 93

Toluene 65

1,3,5-TMB 92

Toluene/esano 93

Attilio Citterio

31

Sostituzione del Solvente in Chimica Sintetica.

Non è un problema semplice! Un solvente può essere molto difficile

sostituire!

Come mezzo di reazione:

I solventi hanno un sostanziale effetto sulla reazione, consentendo

un grado di controllo impossibile in sua assenza

Può influenzare:

• Le velocità di reazione

• Chemo-, regio- e stereoselettività

• Evoluzione della reazione – può non funzionare per niente, o può fare

qualcosa totalmente differente!

• Può influenzare la lavorazione delle miscele di reazione

Se si possono impiegare, allora si può avere un extra incentivo per

l’adozione di nuova tecnologia.

Attilio Citterio

32

Tipi di Solventi (Organici Volatili - VOC).

Idrocarburi: toluene, xilene, esano, cicloesano, eptano

Ammine: piridina, chinolina, trietilammina

Clorurati: diclorometano, dicloroetano, tricloroetano, cloroformio,

clorobenzene, diclorobenzene

Chetoni: acetone, metiletilchetone, MIBK

Alcoli: metanolo, etanolo, n-propanolo, IPA, t-butanolo, n-butanolo, alcoli

superiori, glicoli, glicol eteri

Esteri: acetato di etile, acetato di isopropile, acetato di butile, lattato di etile

Eteri: etere etilico, TBME, THF, diossano, dibutil etere, diossolano, dialcossi

metani (acetali), anisolo, dialcossietani, alcossietanoli

Acidi e Derivati: acido acetico, acido formico, acetonitrile,

Aprotici dipolari: DMSO, sulfolano, HMPA, uree, DMF, DMAc, NMP + altre

ammidi

Acqua

Attilio Citterio

33

Problemi con i VOC.

Diretti

La tossicità del VOC varia in dipendenza dalla loro natura, modalità e durata di esposizione.

• Per es. DMF (teratogeno), CHCl3 (sospetto cancerogeno)

Infiammabilità (pericolo di incendio)

Formazione di perossidi (comune per gli eteri)

Indiretti

Diminuzione dell’ozono

• Clorofluorocarburi (CFC) ora messi al bando

– Per es. CF3Cl, vita media in atmosfera 640 anni, GWP 14,000

– CCl4 – uso ora fortemente limitato (35 anni, GWP 1400)

Potenziale di riscaldamento globale (GWP)

• Non deve avere capacità di diminuire l’ozono per avere GWP

– HFC134a (CH2FCF3) usato in frigoriferi e condizionatori, 14 h, GWP 1300

Persistenza nell’ambiente

L’uso di solventi meno volatili può migliorare l’ambiente a meno che essi non

portino i problemi altrove.

Attilio Citterio

34

• I solventi organici volatili sono i mezzi tipici in cui si conducono le

sintesi organiche - usi pari a Euro 6,000,000,000 nel 2006

• Nell’anno 2000 l’uso dei solventi ha costituito la fonte primaria

dei VOC nell’atmosfera (27% del totale)

Le emissioni sono in

declino ma rappresentano

ancora cinque milioni di

tonnellate/anno in Europa.

Fonte: DEFRA Atmospheric

emissions estimate 2006

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000

450

500

550

600

650

700

Em

issio

ni di

VO

C /

10 t

onnella

te

3

Anno

Perché è Importante Disporre di Solventi

Verdi?

2005

Attilio Citterio

Andamento Emissioni (NM)VOC, distribuzione

% per settore e variazione 1990-2012 in ITALIA.35

NM = non metano

50,3

6,56,3

3,4

31,4

0,21,9

Share 19901 A3

1 A4

2 B

2

3

4 C

altri

24,9

15,2

7,14,7

44,4

0,42

Share 20121 A3

1 A4

2 B

2

3

4 C

altri

Fonte: www.isprambiente.gov.it

(Report 2014)

Attilio Citterio

36

Norme Ambientali sui Solventi.

Leggi EU

• La Direttiva 1999/13/EC (emendata con la Direttiva 2004/42/EC)

sull’emissione dei solventi VOC è il principale strumento per la

riduzione delle emissioni industriali di composti organici volatili (VOC)

nella UE. Ora Direttiva sulle Emissioni Industriali (2010/75/EU)

Leggi Italia

• D.P.R. 24/05/1988 N°203 e Modifiche D.M.A. 12/07/1990 (elenco

degli inquinanti volatili pericolosi)

• Legge sull’acqua

Leggi USA

• Clean Air Act and amendments (hazardous air pollutants list)

• Clean Water Act

• Toxics Release Inventory

• Toxic Substances Control Act

Ma anche: Protocollo di Montreal ; Protocollo di Kyoto

Attilio Citterio

37

Che Problemi Comportano i Solventi?

Intrinseca Tossicità

Infiammabilità

Esplosività

Diminuzione dell’ozono stratosferico

Produzione di ozono atmosferico

Produzione di altri inquinanti atmosferici secondari

Potenziale di riscaldamento globale

Attilio Citterio

Sistema Modello di Valutazione di Solventi

col Metodo del Ciclo di Vita.38

produzionedel solvente

Uso delsolvente

riciclo delsolvente

Smaltimentosolvente

Produzione

Petrolchimica

del solvente

Uso del

solvente

Scarto

solvente

incenerimento

scarto solvente

incenerimento

scarto solvente

distillazione

solvente scarto

Vapore Elettricità Comb. fossile

Vapore Elettricità Comb. fossileSolvente recuperato

Opzione incenerim.

Opzione distillazione

Tabella 1 Specifiche dei processi di trattamento del solvente usato per la valutazione. Gli assunti sotto indicati

riflettono le condizioni generali nell’industria chimica in base al parere di un gruppo di esperti.

Parametro Assunti Commento

Tecnologia di incenerimento

Tecnologia di distillazione

Uso di energia e ausiliari

Produzione di energia e ausiliari

Recupero del solvente

Trattamento dei residui

Incenerimento di scarto pericoloso

Distillazione a batch

Uso medio per distillazione batch

Produzione media Europea

Recupero medio del solvente: 90%

Incenerimento

Descrizione modello vedi ref. 19

Descrizione dettaglio vedi ref. 20

In base ad analisi statistica 20

Dati tratti dal ref. 16

In base all’opinione di un gruppo

di esperti ref. 21

Tecnologia più spesso usata per

solventi organici 22

Attilio Citterio

CED Totale di un'Opzione di Trattamento. 39

Tabella 2 Risultati della valutazione del ciclo di vita di 26 solventi organici. Il CED totale di opzione di trattamento

è calcolata in base a queste operazioni: CED (Opzione Distillazione) = CED (Produzione Solvente) + CED (Distil-

lazione Solvente); CED (Opzione Incenerimento) = CED (Produzione Solvente) + CED (Incenerimento Solvente)

Solvente CAS-No. Produzione del Solvente

CED per kg solv./MJ-eq.

Distillazione Solvente

CED per kg solv./MJ-eq.

Incenerimento Solvente

CED per kg solv./MJ-eq.

Acido acetico 64-19-7 55.9 -34.9 -15.5

Acetone 67-64-1 74.6 -53.6 -33.9

Acetonitrile 75-05-8 88.5 -79.6 -29.7

Butanolo (1-) 71-36-3 97.3 -74.6 -39.9

Butyl acetato 123-86-4 121.6 -95.9 -34.1

Cicloesano 110-82-7 83.2 -63.4 -53.5

Cicloesanone 108-94-1 124.7 -99.7 -40.4

Dietil etere 60-29-7 49.8 -31.9 -40.2

Diossano 68-12-2 86.6 -63.8 -27.6

Dimetilformammide 68-12-2 91.1 -67.6 -25.9

Etanolo 64-17-5 50.1 -31.2 -31.7

Etil acetato 141-78-6 95.6 -72.0 -27.6

Etil benzene 100-41-4 85.1 -64.9 -49.8

CED = Cumulative Energy Demand

Attilio Citterio

CED Totale di una Opzione di Trattamento. 40

Tabella 2 Risultati della valutazione del ciclo di vita di 26 solventi organici. (cont.). Il CED totale per opzione di

trattamento è calcolato in base a: CED (Opzione Distillazione) = CED (Produzione Solvente) + CED (Distillazione

Solvente); CED (Opzione Incenerimento) = CED (Produzione Solvente) + CED (Incenerimento Solvente)

Solvente CAS-No. Produzione del Solvente

CED per kg solv./MJ-eq.

Distillazione Solvente

CED per kg solv./MJ-eq.

Incenerimento Solvente

CED per kg solv./MJ-eq.

Formaldeide 50-00-0 49.3 -28.8 -15.9

Acido formico 64-18-6 73.9 -50.1 -4.7

Eptano 142-82-5 61.5 -43.7 -54.5

Esano 110-54-3 64.4 -46.7 -55.2

Metiletilchetone 108-10-1 64.2 -44.6 -37.6

Metanolo 67-56-1 40.7 -21.7 -22.2

Metil acetato 79-20-9 49.0 -29.2 -22.8

Pentano 109-66-0 73.2 -54.5 -55.3

Propil alcool (n-) 71-23-8 111.7 -87.3 -36.5

Propil alcool (iso-) 67-63-0 65.6 -46.1 -36.5

Tetraidrofurano 109-99-9 270.8 -230.7 -37.5

Toluene 108-88-3 80.0 -60.0 -49.3

Xilene 1330-20-7 72.5 -53.1 -49.9

Attilio Citterio

41

Accettabilità dei Solventi Molecolari.

Più accettabile Meno accettabile

Solventi

acquosi

Solventi

ossigenati

Idro-

carburi

alifatici

Idro-

carburi

aromatici

Solventi

aprotici

dipolari

Solventi

Clorurati

Riduttori

ozono

Solventi

tossici e

cancerogeni

Acqua Alcoli n-Alcani Xilene Dimetil

solfossido

Cloruro di

metilene

Fluoro-

cloro-

alcani

Benzene

Eteri Ciclo-

alcani

Toluene (Dimetil

formammide)

Cloroformio Tetracloruro

di carbonio

Esteri Mesitilene 1,2-Dicloro-

etano

Chetoni

Carbonati

organici

Attilio Citterio

Risultati di Valutazione Ambientale, Salute e

Sicurezza (EHS) per Alcuni Comuni Solventi.42

0

1

2

3

4

5

6

Water hazard

Air hazard

Persistency

Chronic toxicity

Irritation

Acute toxicity

Reaction/decomposition

Fire/explosion

Release potential

Attilio Citterio

43

Approcci Correnti alla Sostituzione dei Solventi.

Non è un problema semplice – normalmente la sostituzione è complicata da vari fattori

Considerare il processo come un insieme, non come un singolo aspetto (i solventi sono usati nelle lavorazioni e purificazioni non solo come mezzi di reazione)

Si devono considerare molti aspetti e se ne deve quantificare la relativa importanza (metrica).

Da dove deriva il solvente?

Qual è il processo usato per preparare il solvente (senza dimenticare l’uso specifico per cui sono creati)?

• Energia

• Processi pericolosi

• Materie prime

• Sotto-prodotti

• Tossicità

Poco pericoloso

Salute umana

Ambiente (Locale e Globale)

Attilio Citterio

44

Sviluppo di Solventi Sostenibili.

Costoso

Pericoloso

da usarePericoloso per

l’ambiente

L’ottimizzazione del solvente può dare molti benefici!

Prestazione

finanziaria

Prestazione

ambientale

Eco

efficienzaEtica degli

affari

SD

Giustizia

ambientalePrestazione

sociale

Attilio Citterio

Solventi Non Graditi.45

Solvente rosso Flash point (C) Ragione

Pentano -49 flash point molto basso, disponibili buone alternative.

Esano(i) -23 Più tossco dell’alternativa eptano, classificato HAP negli USA.

Di-isopropil etere -12 Forte generatore di perossidi, disponibili buone alternative.

Dietil etere -40 flash point molto basso, disponibili buone alternative.

Diclorometano n/a Usato ad alti volumi, regolato in direttive EU, classificato HAP negli USA.

Dicloroetano 15 Cancerogeno, classificato HAP negli USA.

Cloroformio n/a Cancerogeno, classificato HAP negli USA.

Dimetil formammide 57 Tossicità, molto regolato in EU, classificato HAP negli USA.

N-Metilpirrolidinone 86 Tossicità, molto regolamentato in EU.

Piridine 20 Cancerogeno/mutageno/reprotossico (CMR) cancerogeno di categoria 3, tossicità, Valore limite di soglia (TLV) molto basso per l’esposizione.

Acetato di Metile 70 Tossicità, molto regolamentato nella Direttiva UE sui Solventi.

Diossano 12 CMR cancerogeno di categoria 3, classificato HAP negli USA.

Dimetossietano 0 CMR cancerogeno di categoria 2, tossicità.

Benzene -11 Da evitare: CMR cancerogeno di categoria 1, tossico per l’uomo e l’ambiente, basso TLV (0.5 ppm), molto regolato in EU e in USA (HAP).

Tetracloruro di Carbonio n/a Da evitare: cancerogeno di categoria 3, tossico, distruttore di ozono, bandito dal protocollo di Montreal, non disponibile per uso su larga scala, molto regolamentato in EU e in USA (HAP).

Attilio Citterio

Tabella di Sostituzione dei Solventi.46

Solvente non gradito Alternativa

Pentano Eptano

Esano(i) Eptano

Di-isopropil etere o dietil etere 2-MeTHF o tert-butil metil etere

Diossano o dimetossietano 2-MeTHF o tert-butil metil etere

Cloroformio, dicloroetano o tetracloruro di

carbonio

Diclorometano (??)

Dimetil formammide, dimetil acetammide

o N-metilpirrolidinone

Acetonitrile

Piridina Et3N (se la piridina è usata come base)

Diclorometano (estrazioni) EtOAc, MTBE, toluene, 2-MeTHF

Diclorometano (cromatografia) EtOAc/eptano

Benzene Toluene

“Green chemistry tools to influence a medicinal chemistry and research chemistry based organization”

Dunn and Perry, et. al., Green Chem., 2008, 10, 31-36

Attilio Citterio

Sostituzione di Solventi con Alternative Verdi.47

Espansione

Attilio Citterio

48

Strategie per la Sostituzione dei Solventi.

• Prima di tutto evitare o minimizzare i solventi

• Usare solventi meno tossici

• Usare solventi rinnovabili (non derivati dal petrolio)

• Evitare i VOC

Tossicità acquatica dei solventi

Biodegradabilità completa

Classificazione ambientale EU

Tossicità acuta umana

Tensione di vapore

Coefficiente di ripartizione Ottanolo/Acqua (OWPC)

Fonte/Fornitore

Potenziale di Creazione dell’Ozono Fotochimico (POCP)

PIU’ Altre Significative Problematiche.

Attilio Citterio

49

La Fonte è Sostenibile?

Confrontando dei solventi si deve tener presente:

Da dove derivano?

La fonte è sostenibile?

Esistono alternative (in particolare se si può non usare)?

Dove andrà a finire?

Come si possono neutralizzare i suoi effetti, se tossico-volatile?

Quanto costa il suo riciclo?

Quanta energia si recupera dalla sua combustione?

Attilio Citterio

50

Polare

Non-polare

Si ricordi

che il simile

scioglie il

simile

Soluti

sali

organici polari

grassi

oli

amminoacidi

polimeri

Costante

Dielettrica

78

2

33

25

21

2.2

2.4

4.8

acqua

metanolo

etanolo

acetone

cloroformio

toluene

CCl4esano

alcoli

idrocarburi

etere

Solventi

DMSO

DMF

Di Quali Solventi Abbiamo Bisogno?

Attilio Citterio

51

Uso di Solventi in Ricerca.

Uso di Solventi - Giornale "Perkin Trans 1"

Clorurati

Aprotici Dipolari

Altri Nocivi

Accettabili

Eco-compatibili

Uso di Solventi sul Giornale "Green Chemistry"

Clorurati

Aprotici Dipolari

Altri Nocivi

Accettabili

Eco-Compatibili

Attilio Citterio

52

Solventi Benigni.

La sostituzione di solventi VOC è fortemente auspicata per

ridurre i rischi di sicurezza e salute e molti sforzi sono stati

posti nel raggiungere questo obiettivo.

Alternative:

sintesi prive di solvente

acqua e solventi acquosi

fluidi supercritici (anidride carbonica, acqua, etano, ecc.)

liquidi ionici

solventi polimerici/immobilizzati/derivatizzati

altri solventi compatibili (lattato di etile)

Tutti hanno vantaggi e svantaggi che devono essere considerati quando

si valuta l’opportunità di una sostituzione.

Attilio Citterio

53

Solventi Non-

Volatili

Sistemi senza

solvente

Acqua

Altri Solventi

compatibili

Sistemi

Supercritici

Solventi

Organici Volatili

e Pericolosi

Soluzioni

per

solventi

Approcci alla Scelta di Solventi Eco-compatibili.

Liquidi ionici, polimeri

CO2

Attilio Citterio

54

Chimica ‘Senza Solvente’.

• Oggetto di indagine da molti anni

• Fornisce una delle più semplici soluzioni al problema dei solventi

• Non molte reazioni sono riconducibili all’approccio senza solvente, particolarmente su larga scala

• Le reazioni esotermiche possono essere pericolose su grande scala – necessaria una stretta collaborazione con gli ingegneri chimici per superare tali problemi

• Il mescolamento efficiente può essere un problema, particolarmente quando si impiegano reagenti o prodotti solidi

• Alcune tecnologie (macinazione, reattori per solidi, etc.) possono aiutare

• I solventi sono però ancora spesso richiesti per l’estrazione, separazione e purificazione dei prodotti.

Koichi Tanaka

Attilio Citterio

55

Reazioni Senza Solvente.

• Riscaldamento a

microonde/RF

• Raggi molecolari

Il miglior solvente è…

Proprio nessun solvente!

solido liquido gas

• Macinatura/molatura

• Reattori a letto fluido

• Reagenti a supporto

catalitico

• fase fusa

Attilio Citterio

56

Reazioni Senza Solvente (2).

• Quando i reagenti sono liquidi o quando uno dei reagenti è liquido ed

in grado di disperdere almeno in parte gli altri reagenti è bene

verificare se esistano condizioni in cui la reazione avviene senza

solvente.

• In taluni casi somministrare energia tramite microonde risulta

particolarmente vantaggioso, per es. nella sintesi dell’aspirina:

Bose, Stevens Institute of Technology

Attilio Citterio

57

Zeneca

R1COCH3

R2CHO

BaseR1COCH=CHR2

Friedel Crafts

Ar-H + RCOClZnCl2

ArCOR (processo continuo)

Ar-H + Ar’COClenvirocats

ArCOAr’ (Contract Chemicals UK)

Reformatsky

ArCHO + BrCH2CO2EtZn, NH4Cl

ArCHCH2CO2EtBase

OH

Org. Synt. Yield 61-64% K. Tanaka J. Org. Chem. 1991, 56, 4333

Sintesi Senza Solvente – Esempi.

Attilio Citterio

58

Solido A + Solido BMacinaz.

Solido C (resa quantitativa)

Reazioni per Macinazione Meccanica.

Ossidazione Generale

in Stato Solido con il

Complesso 1:1

Urea/H2O2

R. S. Varma and K. P. Naiker,

Org. Letters, 1999, 1, 189.

Attilio Citterio

59

Esempio: Reazione Solido-Solido in Letto Fluido.

Opportunità

Definizione delle condizioni di

mescolamento dei reagenti

• purezza e omogeneità del

prodotto (QA)

Richiesti dati sull’interfaccia

solido/solido

• Dimensione e forma particelle

• Chimica delle superfici

• Forze e interazioni inter-

particelle

Controllo sicuro del reattore

• Termodinamica e trasf. calore

• Evitare reazioni fuggitive

Robuste tecniche analitiche in

situ.

Prodotto

Uscita gas

Alimentazione gas

e solido II

Solid

Gas

Tubo di mandata

Condotto di ritorno

Alimentazione

Solido I Piatto dispersore del gas

misure analitiche

in-linea

Attilio Citterio

60

Condizioni senza Solvente.

Sistemi di Immagi DryView™

Tecnologia di visualizzazione Fototermografica

Usa chimica non umida

Non crea effluenti

Non richiede stadi di post-processo come essicazione

Applicabile a tutte le industrie che processano film pancromatici

(radiografia medica, stampa, radiografia industriale, e in campo

militare)

Attilio Citterio

61

macro

micro

nano

Distanza

m

mm

nm

reattore

particelle

molecole

Dinamica Molecolare

su Ampia e Multi-Scala

Metodi agli Elementi Finiti

Orientati ad Oggetti

Progettazione Ingegneristica

di Reattori, Impianti e

Circuiti di Alimentazione

Modellizzazione Molecolare

Quanto Meccanica

Collaborazione Chimica e Ingegneria Chimica – Essenziale!

Reazioni Solido-Solido : Necessitano di una

Modellazione su più Scale.

Attilio Citterio

62

Solventi Molecolari – L’Acqua.

+ Una delle alternative più ovvie ai VOC.

+ Pulito, economico, innocuo, versatile – il solvente per eccellenza!

- Utile per certi tipi di reazioni ma limitato a causa di:

- Scarsa solubilità per i soluti non-polari (però: vedi tensioattivi,

emulsioni e condizioni critiche)

- Compatibilità con vari reagenti (è attivo per via redox e acido-base)

- Si smaltisce scaricandolo nei corsi d’acqua

superficiali possibili inquinamenti

- La separazione può richiedere molta energia

o tempi lunghi di essiccazione

- Utile in processi bifasici con altri solventi.

Attilio Citterio

63

Solvente Benigno – Acqua.

Isomerizzazione del Geraniolo usando Acqua ad alta temperatura

Sintesi del 2,3-Dimetil-Indolo in Acqua ad alta temperatura

Sintesi del caprolattame in Acqua supercritica ad alta temperatura.

Attilio Citterio

64

Solvente Benigno – Acqua (2).

• Reazioni con enzimi/microorganismi

• Sospensioni

• PTC ed altri processi bifasici

• Analoghi di chimica anidra (e.g. ilidi allo zolfo, organometallica).

Zeneca Agrochem

MeX

Attilio Citterio

65

L’Effetto Idrofobico.

A A BB+ + 6 H2O

La formazione di una interazione idrofobica tra due molecole di

idrocarburo A e B. (I cerchi rappresentano molecole di acqua).

LE REAZIONI IN ACQUA SONO DI GRANDE POTENZIALITA’

(in condizioni supercritiche anche gli idrocarburi sono solubili!)

Attilio Citterio

66

Solventi Acquosi.

Condizioni acquose per la reazione di Diels-Alder:

Condizioni acquose per la reazione Metallo-Mediata:

Attilio Citterio

67

• La reazione è ACCELLERATA in acqua.

• Non serve alcun catalizzatore.

• La velocità e la selettività sono simili a quelle delle reazioni

condotte sotto pressione.

Situazioni simili si hanno con le reazioni di Diels-Alder con

2 substrati insolubili in acqua.

(R. Breslow, Tetr. Lett. 1984, 1239)

(A. Lubneau, J. Org Chem. 1986, 51, 2142)

1 2 3 (syn) 4 (anti)

Reazione di Mukaiyama.

Attilio Citterio

68

Reazioni in Acqua – Letteratura.

• Reviews:

A. Lubineau Chem. Ind. 1996, 123

Synthesis 1994, 9, 741

P. Grieco Chem. Rev. 1993, 93, 2023

Aldrichimica Acta 1991, 6, 159

R. Breslow Acc. Chem. Res. 1991, 6, 159

Attilio Citterio

69

Altre Idee per Solventi.

Solventi misti

Utili nel controllare accuratamente la solubilità del

prodotto attraverso il loro rapporto, ma difficili da

recuperare

Nessun solvente

Reagenti liquidi (alla temperatura scelta)

Alta efficienza volumetrica (alta produttività per

volume)

Problemi di sicurezza se il processo è esotermico.

Attilio Citterio

70

Solubilità dell’Acqua nei Solventi.

Solvente g/L M - log KD

Acqua 1000 56

Acetato di etile 33 1.8 1.5

Etere Etilico 15 0.8 1.8

Diisopropil etere 9 0.5 2.0

Cloruro di metilene 2 0.1 2.7

Cloroformio 0.7 0.04 3.1

Toluene 0.5 0.03 3.3

Tetracloruro di Carbonio 0.1 0.005 4

Esano 0.1 0.005 4

Attilio Citterio

71

Solventi Molecolari – Organici.

+ Sciolgono un’ampia varietà di soluti – in dipendenza dalle costanti dielettriche

+ I solventi volatili richiedono meno energia per la separazione dei prodotti

+ I solventi non volatili quali i glicoli (etilen e propilen glicoli e loro telomeri PEG, glicerina, ecc.) si usano sempre più frequentemente come solventi benigni

- Spesso tossici

- Generalmente a basso costo,

- infiammabili

- I VOC sono sotto il controllo delle normative di legge.

Attilio Citterio

72

Per Es.: Esteri dell’Acido Lattico.

• Economici, gli esteri dell’acido lattico ad alta-purezza, quali il lattato di etile, sono stati proposti per l’uso come "solventi verdi" ambientalmente accettabili

• Proprietà solventi attraenti:• Biodegradabile

• Facile da riciclare

• Non corrosivo

• Non cancerogeno

• Non diminuisce l’ozono• Buon solvente per vari processi

• ottenuti da fonti rinnovabili, i carboidrati, quali quelli del grano o dagli scarti di lavorazione di alimenti

• Potrebbero sostituire circa l’80% dei solventi derivati dal petrolio –attualmente già in uso.

• Comunemente usato nell’industria di vernici e rivestimenti. Http://www.er.doe.gov/epic/html/GreenSolvents.htm

72

CH3CH(OH)CO2CH2CH3

Attilio Citterio

73

Sistemi/Miscele Solventi Alternative.

Isomet

Miscela di idrocarburi isoparaffinici, propilenglicol monometil etere,

e alcol isopropilico

Sostituisce la miscela Typewash (cloruro di metilene, toluene e

acetone)

Eccellenti prestazioni nelle stampe e nel rotocalco

Accettabili proprietà (abilita pulente, velocità di evaporazione del

solvente, odore, rispetto ambientale e costo)

Attilio Citterio

Sistemi Bifasici e Ossidazione con H2O2.

RS

R'

74

Prodotto

Acqua

Alta selettività

Nessun solvente

Sottoprodotto acqua

Ausiliari riciclatiHMoO6

- Bu3NH+Ossidazione

• Utilizza due solventi immiscibili e cerca di mantenere in fasi

separate il catalizzatore e i reagenti per facilitare la separazione

• Generalmente basata su sistemi acquoso/organici (per es.

ossidazioni con H2O2). Talvolta l'organico è solvente e reagente.

• Le fasi sono omogenizzate agitando, con ultrasuoni o riscaldamento

Bu3NH+

Attilio Citterio

75

Solventi Neoterici.

• L’obiettivo è di progettare nuovi fluidi che presentano

proprietà aggiustabili.

• Alcuni già usati su larga scala altri hanno potenzialità di

divenire i solventi sostenibili del futuro.

• Il termine copre:

• liquidi ionici (IL-QA)

• fluidi supercritici,

• gas liquefatti,

• liquidi espansi con gas,

• solventi eutettici, e

• solventi polimerici

Attilio Citterio

76

Gas Liquefatti.

• I gas liquefatti sono gas che diventano liquidi a temperature ambiente

quando sono pressurizzati in un cilindro per gas. Il cilindro è riempito

inizialmente come liquido. Il liquido quindi evapora a gas e satura lo

spazio di testa sopra il liquido e mantiene l' equilibrio liquido-vapore.

Come il gas viene rilasciato dal cilindro, evapora abbastanza liquido

nello spazio di testa, mantenendo così costante la pressione nel

cilindro. Esempi di gas liquefatti includono l'ammoniaca, il biossido di

carbonio, il cloro, il metano e il gas naturale, il propano e i CHC.

• Attualmente usati principalmente per estrazioni ma anche come propellenti per aerosol

• Generalmente usati a bassa pressione, ~ 4-10 bar

• Tipici sono gli HFC (gas che non riducono l’ozono, non-tossici, non-infiammabili, ma sono gas serra dalla vita media molto lunga!)

www.ineosfluor.co.uk

www.advancedphytonics.co.uk

Attilio Citterio

77

riciclo del solvente

soluzione omogenea

reagenti prodotti

p p

Gas Liquefatti (2).

• Le transizioni gas-liquido sono dipendenti dalla pressione – più

efficienti in energia perché reversibili.

• Utili quando i residui di solvente sono un problema.

Attilio Citterio

78

Liquidi a Gas Espanso (GXL).

• Un GXL è un solvente misto composto da un gas

compressibile (quale CO2 o etano) sciolto in un

solvente organico.

• L’obiettivo è di variare le proprietà di un liquido

pressurizzandolo con un gas – generalmente

con piccole variazione di pressione

• Attualmente un’area di ricerca – grande

potenzialità per solventi non-tossici adattabili,

p.es. CO2/H2O

• Liquidi di Classe I, come l'acqua, hanno capacità

insufficienti a sciogliere CO2 e ad espandersi. I

liquidi di Classe II come il metanolo, l'esano e

molti altri solventi organici tradizionali, sciolgono

grandi quantità di CO2, si espandono

apprezzabilmente e subiscono significative

variazioni nelle proprietà fisiche.

Attilio Citterio

79

Effetti Solvente (Riferimenti).

1. Alternative Solvents for Green Chemistry (2), F. Kerton, R. Marriott

2011 .

2. Solvent Effects in Organic Chemistry , C. Reichardt VCH, 1989, 2nd Ed.

3. Solvent Recovery Handbook, l. Smallwood, E. Arnold June 1993 ISBN

0-340-57467-4

4. Industrial Solvents Handbook E.W. Flick, Noyes Data Corporation 1985

(2nd Ed.) - ISBN 0-8155-1010-1

5. Hansen Solubility Parameters: A user's handbook, II Ed. C.Hansen,

(2007). Boca Raton, Fla: CRC Press

6. Green Solvents I and II - Properties and Applications in Chemistry

Mohammad, Ali, Dr., Inamuddin (Eds.) 2012, XVIII, 430 p.

7. Hutchenson, K., et al.; ACS Symposium Series; ACS, DC, 2009