Como producto de la actividad industrial desarrollada desde finales del siglo XIX (en los inicios de la Revolución Industrial) y durante todo el siglo XX, el ser humano logró un incremento en su calidad de vida, el cual lamentablemente también implicó un gran deterioro del medio ambiente, debido a que se generaron graves problemas de contaminación, sobre todo en el último cuarto del siglo XX. Para tratar de resolver estos problemas de contaminación se propuso el programa de Química Verde, cuyo principal objetivo era hacer una química más benigna con el medio ambiente, y a través del cual se pretenden desarrollar procedimientos sintéticos benignos con este último (Marteel-Parrish, 2007).
Este programa toma en cuenta los problemas de generación de residuos (los intenta minimizar más que tratarlos) y sobre todo procura recuperar las materias primas para poderlas volver a utilizar (Uffelman, 2007). Algo que es un hecho, es que nadie puede juzgar los problemas involucrados en los procesos químicos de una mejor manera que los propios científicos del área. Esto significa que solamente un químico bien entrenado, independiente y responsable es quien deberá establecer las políticas ecológicas, y no los políticos, ya que estos últimos son los que tienden a reaccionar con exageración a los escándalos sobre la contaminación, sin un conocimiento profundo del problema. Ninguna de las soluciones a los problemas ecológicos para el siglo pasado (siglo XX) provino de políticos, incluyendo las propuestas de los partidos autodenominados ecologistas. Siempre han sido los científicos químicos en activo, quienes han cambiado los productos y los hábitos conforme surgen los problemas. Un ejemplo de lo anterior es el programa de Química Verde, que se desarrolló a finales del siglo XX, y el cual fue propuesto originalmente en los Estados Unidos de Norteamérica (Warner and Anastas, 2000), y que en la actualidad también se aplica en la Unión Europea, así como en otras partes del mundo. Esta estrategia, que se ha aplicado tanto a nivel educativo, como a nivel científico e industrial, busca implementar buenas prácticas en la síntesis de compuestos químicos. La propuesta consta de 12 principios, los cuales fueron planteados por Paul Anastas, quien entonces se encontraba trabajando en la EPA (Agencia de Protección Ambiental, por sus siglas en inglés) y por John C. Warner (Universidad de Massachusetts, Lowell) (Anastas and Warner, 2000). Estos principios son una guía que ayuda a explicar y aplicar lo que significa la definición de la Química Verde (Fuhrhop and Li, 2003).
Estos 12 principios proporcionan un marco de referencia para que los químicos puedan aplicar la filosofía de la química verde, y los cuales son los siguientes:
- Prevención en la generación de residuos.
- Maximizar la economía atómica.
- Síntesis empleando sustancias no tóxicas.
- Diseño seguro, con productos químicos eficaces y de poca toxicidad.
- Evitar el uso de sustancias auxiliares.
- Eficiencia energética.
- Uso de materias primas renovables.
- Reducción de derivados.
- Catálisis: se emplearán catalizadores lo más selectivos posibles.
- Degradación limpia para que los productos químicos no persistan en el medio ambiente.
- Análisis (monitoreo) continuo de contaminación.
- Seguridad intrínseca y prevención de accidentes.
Cuando un químico toma en cuenta estos principios, él mismo favorece al medio ambiente y a la larga se pueden disminuir los gastos económicos de las compañías al reducir el costo que implica el control de la contaminación y la cantidad de energía utilizada. Esta propuesta cae dentro de un concepto más amplio como lo es la sustentabilidad (desarrollo sustentable o sustentabilidad ecológica) (León-Cedeño, 2008-2009).
En los procesos sintéticos, el pilar fundamental de esta propuesta es la catálisis (Trost, 1995, 2002). Los requerimientos de energía, la cantidad de residuos, y el número de pasos en los procesos de aislamiento y purificación, todos son minimizados al incrementar la selectividad de las reacciones catalizadas. Las reacciones en las que se forman enlaces carbono-carbono utilizando paladio como catalizador (por ejemplo las reacciones de Heck (1968), de Noyori (1987) y de Suzuki (1995)) son estrategias que se aplican con éxito en esta dirección y las cuales ya se aplican con tanta frecuencia como es posible tanto en los laboratorios de investigación como en la industria (Aktoudianakis, et al., 2008).
Además, los procesos sintéticos deben ser átomo eficientes, esto es, que la mayor parte de la masa de los reactivos quede incorporada en la masa de los productos. Además, los reactivos deberán ser lo más simples como sea posible. Se han propuesto varias maneras de cuantificar qué tan verde es un proceso, como por ejemplo midiendo su eficiencia atómica, una propuesta hecha por Barry Trost de la Universidad de Stanford (Trost, 1995, 2002; Andraos and Sayed, 2007). La economía atómica se define por la siguiente relación (ecuación 1).
Un ejemplo para ilustrar lo anterior se encuentra en una modificación hecha por la Compañía Shell Corporation para obtener el metacrilato de metilo (3) (esquema 1), el cual es el precursor utilizado para la fabricación del polimetacrilato de metilo, también llamado vidrio orgánico y que tiene las marcas registradas de Plexiglas y Lucite. La primera síntesis utiliza como materia prima a la acetona (1), la cual se hace reaccionar con cianuro de sodio en presencia de un catalizador ácido para formar la cianohidrina de la acetona (2), la cual al reaccionar con metanol en presencia de ácido experimenta una reacción de deshidratación y conversión del nitrilo en el éster metílico, formando el compuesto (3). Todo el proceso tiene una economía atómica del 47%.
En el proceso de la Compañía Shell Corporation para obtener el metacrilato de metilo, la economía atómica es muy baja, debido a que el ácido cianhídrico y el ácido sulfúrico se utilizan en cantidades estequiométricas (Sheldon, 1997).
En la síntesis modificada haciendo uso de los principios de la Química Verde, se hace uso de un proceso catalítico. En este proceso, se utiliza como materia prima el propino (4), el cual se hace reaccionar con monóxido de carbono (5) y metanol (6), en presencia de paladio metálico como catalizador (esquema 2). Este proceso tiene una economía atómica del 100%, ya que todos los átomos de los reactivos quedan incorporados en el producto final (Sheldon, 1997).
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Los compuestos químicos que tienen usos domésticos e industriales siempre deberán ser biodegradables, así como lo deberían de ser los intermediarios en sus propias síntesis químicas, principio 10 de la Química Verde (Robert and Aubrecht, 2008).
Otros de los principios de la Química Verde (principios 3 y 5) implican eliminar o bien reemplazar los disolventes orgánicos por el agua o por fluidos supercríticos, en particular el dióxido de carbono (CO2). Este último no sólo se ha utilizado como disolvente en la industria de la limpieza en seco (tintorerías) sino que en general el CO2 puede sustituir a los disolventes clorados (Hitzler, 1997). Sin embargo, el agua es con mucho el principal disolvente de elección en la síntesis no covalente y su uso se ha incrementado en la síntesis covalente (Sobral, 2006; Sauvage and Delaude, 2008; Aktoudianakis, et al., 2008).
Los objetivos concretos que se persiguen son los siguientes:
- Que el alumno conozca estas nuevas técnicas para llevar a cabo reacciones químicas.
- Hacer más sencillos los experimentos, al eliminar el uso de disolventes (aplicando el principio 5 de la Química Verde), además las reacciones se llevan a cabo a temperatura ambiente, con lo cual se evita el calentamiento a reflujo y de esta manera se elimina o disminuye el consumo de energía (aplicando el principio 6 de la Química Verde).
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ResponderBorrarBuscando noticias sobre este campo, encontré este, que aunque recalca nuevamente los 12 principios de la química verde (anterior post), me gustó porque mostraba también en el cambio que estaba implicando la química verde en la docencia.
ResponderBorrarY esque para poder desarrollar en los jóvenes estudiantes este concepto y no concepto sino esta filosofía en todos sus trabajos y proyectos que realicen, se debe empezar desde los inicios, es decir, desde quizás los primeros ciclos de la carrera.
¿Qué significa esto? Pues que se debe enseñar todos los caminos posibles dentro de una síntesis y priorizar aquel que presente un camino no solo más rápido sino también un camino más seguro y con mejores resultados en el futuro.
En la noticia mencionan que la clave para una síntesis usando la filosofía de la química verde radica en el uso del catalizador y en el porcentaje de economía atómica. Esto se debe a que con un buen catalizador con alta nivel de selectividad uno evita que se deba separar un analito antes de realizar la reacción o que se debe añadir un paso adicional reduciendo el número de pasos, el número de reactivos adicionales a usar y el número de sub productos obtenidos. Por otro lado, el porcentaje económico atómico ayuda a verificar " qué tan verde" es la reacción realizada sacando la relación entre el peso del producto obtenido y el peso de los reactantes. Esto sirve para conocer qué tanto "sobra", siendo una reacción totalmente verde si su % de economía atómica es del 100% significando que el 100% de los reactantes han reaccionado y no se desperdicio nada.
Estos aspectos y más son los que distintos profesores están empezando a implementar en su enseñanza diaria en dichas carreras, logrando crear una conciencia de cuidado del ambiente y de mejora constante en los procesos ya conocidos.
Aun queda un largo camino pero vamos viendo por donde hay que ir avanzando.