Química sostenible

Efectos sociales y ambientales de la química. Contaminantes y sus fuentes.

Conceptos básicos de química sostenible. Reducción de la generación de residuos.

Recursos renovables. Procedimientos químicos no convencionales.

Catálisis y biocatálisis. Aplicaciónes industriales de la química sostenible.

Biotransformaciónes industriales

Productos químicos industriales aplicables a la vida diaria

Transporte: aditivos, catalizadores, componentes plásticos

Medicina: fármacos, vacunas, prótesis, lentes, …

Seguridad: materiales ignífugos, resistentes a la corrosión,cascos ligeros de policarbonato, guantes, etc..

Textiles: fibras y pieles sintéticas, tintes, …

Oficina: tintas, materiales de circuitos, componentes plásticos,

Deporte: materiales ligeros, materiales resistentes

Agricultura: fertilizantes, insecticidas, funguicidas, herbicidas

Hogar: pinturas, fibras, matiales plásticos, adhesivos, lacas, artículos de limpieza y decoración, …

Alimentación: conservantes, antioxidantes, materiales de envases

Producción de compuestos químicos

Materias primas

Refinado y procesado químico

Compuestos químicos básicos

Procesado químico

Compuestos deespecialidad

Compuestos para higiene

Compuestos bio-Y fitosanitarios

Compuestos deotras industrias

Consumidores

Industria química

Demanda de compuestos químicos

Producción química y población

Emisiones de la industria química

Componentes del proceso químico

Productos de una reacción química

Compuestos persistentes y bioacumulativos

Metales pesados

CadmioCromoCobrePlomoMercurio

Compuestos orgánicos tóxicos y persistentes (COP)

1.- Resistentes a la biodegradación

2.- Bioacumulables

3.- Altamente tóxicos

4.- Transporte a larga distancia

Compuestos orgánicos persistentes y tóxicos

Insecticidas clorados

Compuestos orgánicos persistentes y tóxicos

Evaluación de riesgos

Dilución Almacenamientos

Soluciones “final de tubería”

Producciónlimpia

Disminuirel impacto

Evitar laEmisión

Prevenir

Mejora ambiental

Estrategias para mitigar el impacto ambiental

Química verde

Programa de las :aciones Unidad para el Medio Ambiente

P:UMA 1989

Producción limpia

Estrategia ambiental preventiva

Reducción de riesgos

Conservación de recursos materiales

Reducción de residuos y toxicidad

Química verde

Principios de la Declaración de Río sobreMedio Ambiente y Desarrollo 1992

PRI:CIPIO 1Los seres humanos constituyen el centro de las preocupaciones relacionadas con el desarrollo sostenible. Tienen derecho a una vida saludable y productiva en armonía con la naturaleza.

PRI:CIPIO 21Debería movilizarse la creatividad, los ideales y el valor de los jóvenes del mundo para forjar una alianza mundial orientada a lograr el desarrollo sostenible y asegurar un mejor futuro para todos.

Desarrollo sostenible

Uso de recursos naturales a ritmos suficientemente bajos como para que no se agote el suministro a un largo plazo

La generación y disipación de los residuos y emisiones a velocidades suficientemente bajas, de forma que puedan ser asimilados por el medio natural.

Desarrollo sostenible

¿Qué se debe sostener?

a) Los recursos químicos básicosb) Los recursos energéticos para el procesadoc) Un medio ambiente resistente que asimile los residuos recibidos.

¿Durante cuanto tiempo?

Un escenario de unas dos generaciones, unos 50 años

Química verde o Química sostenible

“El diseño de compuestos y procesos químicos que reduzcan o eliminen la

generación de sustancias peligrosas

para la salud humana y el medio

ambiente, haciendo un uso sostenible de

los recursos”.

Objetivo

Química verde o Química sostenible

Retos

Reacciones: Reducción del uso de disolventes o el uso de disolventes alternativos a los tradicionales con menor impacto ambiental

Recursos: Utilización de recursos materiales y energéticos obtenidos de fuentes renovables

Residuos: Evitar la generación de residuos que incrementen El coste ambiental y económico del proceso

Reactivos: Disminución del uso de reactivos. Diseño de compuestos químicos inocuos

1. Prevención de residuos2. Economía atómica3. Metodologías de síntesis de toxicidad reducida4. Diseño de compuestos químicos más seguros 5. Reducción del uso de sustancias auxiliares6. Eficiencia enegética7. Utilización de materias primas renovables8. Reducción de derivados 9. Potenciación de la catálisis10. Diseño de productos biodegradables11. Monitorización en tiempo real 12. Minimización del riesgo de accidentes químicos

Principios de la Química verde propuestos por Paul Anastas y John Warner en 1998

1-Butanol + :aBr + H2SO4 → 1-Bromobutano +:aHSO4 + H2O0.01m 0.01m 0.02m 0.01m 0.02m0.8g 1.33g 2g 1.48 g

4.13g -1.48 g = 2.7 g que se convierten en subproductos (65%)

Economía atómica

Economía atómica =Peso molecular producto

Suma de pesos moleculares de todos los reactivos

x 100

Factor E =Peso subproductos (Kg)

Peso producto (Kg)

Síntesis tradicional del ibuprofeno

Síntesis verde del ibuprofeno

Síntesis en tres etapas Menor número de reactivos auxiliares:o se obtiene tricloruro de aluminio que es contaminanteReactivos como HF, :i y Pd pueden recuperarse y reutilizarse

Síntesis verde del Ácido adípico

Síntesis tradicional del ácido adípico

Búsqueda de compuestos más seguros

Saccharopolyspora spinosa

:uevos insecticidas

Disminución de sustancias auxiliares

:uevos disolventes

Fluídos supercríticos

Líquidos iónicos

:o contaminantes:o tóxicosDisminución de la cantidad de residuos

Almidón(patatas, maíz, etc)

Celulosa(paja, restos de poda, etc)

Glucosa

Pentosay hexosa

Bioetanol

Fermentación

:uevos biocombustibles

2000 millones toneladas/año

Síntesis del aprepitant

Seis etapas, uso de cianuro sódico y amoniaco gas, Temperaturas muy bajas, Subproductos como metano y cloruro de magnesio

Tres etapasDisminución del número de derivadosDuplicación del rendimiento, Disminución de residuos (340.000 L menos /tonelada)

Potenciación de la catálisis

4.5 Kg de sulfato amónico por Kg de εεεε-caprolactama

OHN

O

Aire, :H3Aluminofosfatos

:uevos catalizadores

Potenciación de la catálisis

Reactivos tóxicos 1Kg de residuo contaminado con cianuro/7Kg de producto

Más seguro, menos etapas y mayor rendimiento

:uevos catalizadoresSíntesis del herbicida iminodiacetato disódico

Diseño de productos biodegradables

C

H

H

C

H

C

OH

O

n

Ácido poliacrílico (PAC)

Antiincrustantes

:o biodegradable Biodegradable

Compuesto líder o prototipo

Modificación estructural

Dotado de actividadCon o sin toxicidad

Mejora de la actividadReducción de toxicidad

Compuesto candidato

Pruebas

Comercialización

Tiempo estimado con métodos convencionales: 12 años

PROCEDIMIE:TOS QUÍMICOS :O CO:VE:CIO:ALES

:uevas tecnologías informáticas

Síntesis con microondas

70.000-80.000 moléculas

Menos de 100

Mejora de rendimientosMenor cantidad de disolventes

Menor tiempo de reacción

Procedimientos químicos no convencionales

Reacciones multicomponentes

Menor número de etapasMenor cantidad de residuos

Reacciones multicomponentes

N

S

NN

NO2

O

N

NC

N

OH

NO2

H2N

O

HS

MeOH, 20ºC

38%

tiazol -lactama

Química combinatoria

Síntesis combinatoria

Química combinatoria

Síntesis combinatoria en paralelo

Síntesis en fase sólida

Simplifica el aislamiento de los productosPermite controlar el curso de la reacción

:anotubos de carbono

Buckminsterfullereno C60

:anotecnología

:anotecnología y nanociencia

Tipos de biocatalizadores

Enzimas purificados libres de células

Microorganismos

Bacterias

Hongos filamentosos

Levaduras

PROCESOS DE BIOTRA:SFORMACIÓ:

CARACTERÍSTICAS GE:ERALES DE LAS BIOTRA:SFORMACIO:ES Y FERME:TACIO:ES

BIOTRA:SFORMACIÓ: FERME:TACIÓ:

Biocatalizador Microorganismos oEnzimas libres

Microorganismos encrecimiento

Reacción Una simple reaccióncatalítica

Múltiples etapas

Tiempo dereacción

Pequeño Mayor

Sustratos Productos carosnaturales o no

Fuentes naturalesde C y : baratas

Concentración

Aislamiento

Alta Baja

Fácil Tedioso

ALTO PODER CATALÍTICO

CONDICIONES SUAVES

ALTAMENTE SELECTIVAS

COMPATIBLES CON EL MEDIOAMBIENTE

VENTAJAS DE LAS BIOTRANSFORMACIONES

CARACTERÍSTICAS GE:ERALES DE LAS REACCIO:ES E:ZIMÁTICAS FRE:TE A LAS

REACCIO:ES QUÍMICAS

CO:DICIO:ESDE REACCIÓ:

REACCIO:ESE:ZIMÁTICAS

REACCIO:ESQUÍMICAS

EFICIE:CIA CATALÍTICA ALTA ME:OR

pH FISIOLÓGICO VARIABLE

TEMPERATURA FISIOLÓGICO VARIABLE

PRESIÓ: FISIOLÓGICO VARIABLE

CO:CE:TRACIÓ: BAJA ALTA

ESPECIFICIDAD ALTA BAJA

SELECTIVIDAD ALTA BAJA

IMPACTO AMBIE:TAL BAJO ALTO

SELECTIVIDAD CON RESPECTO AL SUSTRATO

QUIMIOSELECTIVIDAD

REGIOSELECTIVIDAD

ESTEREOSELECTIVIDAD

UTILIDAD PARA EL QUÍMICO ORGÁNICO

ESTEREOSELECTIVIDAD

DIASTEREOSELECTIVIDAD

ENANTIOSELECTIVIDAD

Distinción de enantiómerosDistinción de grupos enantiotópicos

Distinción de caras enantiotópicas

Cultivos de Penicillium notatum

Penicilina G

Ácido 6-aminopenicilánicoNuevas penicilinas

N

S

O

COOH

HH

PhCH2CONH

N

S

O

COOH

HHNHRCO

:-Acilasas

:-Acilasas

10.000 T/a

Almidón

Glucosa Fructofuranosa

Fructopiranosa

Glucosa isomerasa

1)1)1)1) αααα-Amilasa2) Glucoamilasa

8.000.000 T/a42% Fructosa, 50% Glucosa

Lactosa

ββββ-Galactosidasa o lactasa

Glucosa

+

Galactosa250.000 L/d

Levadura depanadería

N

R

H H

CONH2

:AD+

Naftaleno Ácido salicílicoPseudomonas putida

Genes

Escherichia coliIndol Índigo

Triglicérido Glicerol Ácido graso

Función biológica de las lipasas:Hidrólisis de triglicéridos

CH

CH2

CH2

OH

OH

OH

SELECTIVIDAD DE LAS LIPASAS

-Diferenciación de enantiómeros(alcoholes, ácidos, ésteres)

-Diferenciación de grupos enantiotópicos en moléculas

proquirales

-Acilación o hidrólisis regioselectivaen sustratos polifuncionalizados

Procesos de resolución

Intermedios sintéticos

RECONOCIMIENTO DE ENANTIÓMEROS

Transformación

No es transformado

OBTENCIÓN DE NAPROXENO

Lipasa de Candida rugosa

MeO

COOR

R

MeO

COOH

S

Decolorar

Fabricación del catalizadorHidratación a 100ºCEliminación de cobre

Eliminación del material de partida inalterado ysubproductos

Proceso químico

Eliminación de iones cobre y HCN

Decolorar

Crecer el microorganismoHidratación a 10ºCEliminación de las células

Proceso enzimático

Acrilonitrilo

CH2=CHCNNitrilo hidratasa

CH2=CHCONH2

Acrilamida

200.000 T/a

Sectores industriales con procesos de biotransformación

BIORREMEDIACIÓN