Química Verde

La Química es una ciencia que aporta una incuestionable contribución a la mejora de la calidad de vida y al bienestar del hombre, ideando soluciones imaginativas en campos tan diferentes como la preparación de fármacos.

Así, los descubrimientos que se han hecho con la Química han permitido luchar eficazmente contra multitud de enfermedades.

En ese sentido, la obtención de fitosanitarios han logrado disponer de cosechas para alimentar a la población mundial, o la obtención de nuevos materiales que han elevado la calidad de vida de muchos sectores de población.

A pesar de ello, la Química tiene en la sociedad una mala imagen, ya que es frecuente que en los medios de comunicación, el apelativo químico/química, sea sinónimo de algo peligroso, pernicioso o negativo.

A esta idea contribuyen muchas veces los medios de comunicación que transmiten en ocasiones solo los aspectos más negativos de esta rama de la ciencia, tales como los problemas asociados a la toxicidad de algunas sustancias, o los problemas de contaminación derivados de un mal uso o de la inadecuada manipulación de los productos químicos en general.

La denominada Química Verde se ocupa del diseño de productos y procesos químicos que reducen o eliminan el uso y la producción de sustancias tóxicas o peligrosas. No se puede considerar una rama de la química sino más bien de un código de conducta para tratar de disminuir el impacto ambiental de cualquier proceso químico.

Introducción

Ante los retos que supone el desarrollar unos mejores hábitos, y ante la conciencia social nacida en torno a resolver los problemas derivados de la utilización, almacenamiento o transporte de sustancias químicas surgió en los años 90 del pasado siglo la necesidad de reorientar algunas de las prácticas habituales en laboratorios docentes, de investigación o en la industria química.

Como base para el desarrollo de esta nueva forma de abordar los procesos químicos, cabe destacar la aparición de los siguientes documentos e iniciativas

Código de conducta de los miembros de la  American Chemical Society:

Los químicos tienen como responsabilidad profesional servir al interés público, al bienestar y al avance del conocimiento científico, preocuparse de la salud y el bienestar de sus compañeros, consumidores y resto de la comunidad; comprender y anticiparse a las consecuencias medioambientales de su trabajo, evitar la polución y proteger el medio ambiente.

La denominada Química Verde se ocupa del diseño de productos y procesos químicos que reducen o eliminan el uso y la producción de sustancias tóxicas o peligrosas.

No se puede considerar a la Química Verde como una rama de la química tal y como ocurre con la clasificación tradicional de la Química en Química Analítica, Química Física, Química Inorgánica, Química Orgánica e Ingeniería Química, sino más bien como un código de conducta que disminuya el impacto ambiental de cualquier proceso químico, ya sea a escala de laboratorio o a escala industrial.

Sinónimos del concepto de Química Verde son Química Sostenible o Química de bajo impacto ambiental.

Campos de actuación

Los principales campos de actuación de la Química Verde pueden resumirse en los siguientes puntos:

  • Uso de materias primas alternativas a las actuales, de menor toxicidad y cuyos procesos de fabricación presenten menor impacto ambiental que los actuales, basados fundamentalmente en materias primas renovables.
  • Desarrollo de reactivos inocuos, que sustituyan reactivos tóxicos o peligrosos usados en la actualidad.
  • Sustitución de disolventes peligrosos por otros que entrañen menores riesgos en su uso y manipulación.
  • Desarrollo de condiciones de reacción alternativas a las actuales, que consuman menos energía, acorten los tiempos de reacción y simplifiquen el aislamiento y la purificación de los productos finales.

Desde el nacimiento de la Química Verde se ha producido un crecimiento exponencial de publicaciones científicas de todo tipo dando lugar a multitud de revistas específicas, libros y monografías relacionadas con el tema, así como multitud de redes y organizaciones de científicos interesados en esta materia.

Por otro lado, los postulados de la Química Verde se han introducido en los planes de estudios de químicos e ingenieros químicos como parte de las asignaturas de los grados, como asignaturas específicas, estudios de postgrado, etc., siendo hoy en día una materia clave en la formación de los futuros profesionales.

Los 12 Principios de la Química Verde

Paul Anastas es considerado como el fundador de la Química Verde. En su libro Green Chemistry: Theory and Practice desarrolla los denominados 12 principios de la Química Verde.

  1. Prevención: Es preferible evitar la producción de un residuo que tratar de limpiarlo una vez que se haya formado.
  2. Economía atómica: Los métodos de síntesis deberán diseñarse de manera que incorporen al máximo, en el producto final, todos los materiales usados durante el proceso, minimizando la formación de subproductos.
  3. Uso de metodologías que generen productos con toxicidad reducida:Siempre que sea posible, los métodos de síntesis deberán diseñarse para utilizar y generar sustancias que tengan poca o ninguna toxicidad, tanto para el hombre como para el medio ambiente.
  4. Generar productos eficaces pero no tóxicos: Los productos químicos deberán ser diseñados de manera que mantengan la eficacia a la vez que reduzcan su toxicidad.
  5. Reducir el uso de sustancias auxiliares: Se evitará, en lo posible, el uso de sustancias que no sean imprescindibles (disolventes, reactivos para llevar a cabo separaciones, etc.) y en el caso de que se utilicen que sean lo más inocuos posible.
  6. Disminuir el consumo energético: Los requerimientos energéticos serán catalogados por su impacto medioambiental y económico, reduciéndose todo lo posible. Se intentará llevar a cabo los métodos de síntesis a temperatura ambiente y presión atmosférica.
  7. Utilización de materias primas renovables: La materia prima ha de ser preferiblemente renovable en vez de agotable, siempre que sea técnica y económicamente viable.
  8. Evitar la derivatización innecesaria: Se evitará en lo posible la formación de derivados (grupos de bloqueo, de protección / desprotección, modificación temporal de procesos físicos / químicos).
  9. Potenciación de la catálisis: Se emplearán catalizadores lo más selectivos posibles, reutilizables en la medida de lo posible, en lugar de reactivos estequiométricos.
  10. Generar productos biodegradabables: Los productos químicos se diseñarán de tal manera que al finalizar su función no persistan en el medio ambiento sino que se transformen en productos de degradación inocuos.
  11. Desarrollar metodologías analíticas para la monitorización en tiempo real: Las metodologías analíticas serán desarrolladas posteriormente para permitir una monitorización y control en tiempo real del proceso, previo a la formación de sustancias peligrosas.
  12. Minimizar el potencial de accidentes químicos: Se elegirán las sustancias empleadas en los procesos químicos de forma que se minimice el riesgo de accidentes químicos, incluidas las emanaciones, explosiones e incendios.

Objetivos de la Química Verde

Como aplicación de los principios y directrices de la “Química Verde” se pretenden alcanzar los siguientes objetivos para cualquier proceso químico, bien sea a escala industrial o de laboratorio:

  • Mejorar el aprovechamiento de los recursos disponibles para el desarrollo de un proceso químico.
  • Reducir los residuos que se generan en cualquier proceso de preparación o manipulación de sustancias químicas.
  • Preparar materiales por procedimientos mejorados, que disminuyan los efectos no deseados sobre el medio ambiente.
  • Sustituir aquellos reactivos y productos que por su toxicidad intrínseca resulten peligrosos, por otros que teniendo las mismas propiedades y aplicaciones causen menor impacto sobre el medio ambiente.
  • Reducir la energía necesaria para producir sustancias de interés, bien por el uso de procedimientos mucho más rápidos, o bien por el uso de energías renovables que supongan un menor costo energético con igual eficiencia.
  • Reducir la toxicidad o peligrosidad general de las sustancias necesarias para obtener un determinado compuesto y la del propio compuesto.
  • Reducir los costos eliminando toda manipulación que no sea estrictamente necesaria y disminuir los tiempos que se invierten en la preparación de una sustancia.
  • Impulsar todas las acciones necesarias para hacer la Química compatible con un desarrollo sostenible.

Parámetros en Química Verde

Es posible cuantificar mediante una serie de parámetros el impacto medioambiental de una reacción química. De entre ellos destacan el factor E y la economía atómica.

  • Factor E: Uno de los primeros parámetros para la evaluación y análisis del impacto ambiental de una reacción química fue introducido por R. Sheldon. Recibe el nombre de Factor E. El concepto es sencillo y fácil de entender, aplicable fundamentalmente al sector industrial. Se calcula dividiendo la masa total de residuos producida en la preparación de un compuesto, por la masa total de producto fabricado o sintetizado. Cuanto menor sea el valor de E, menor será el impacto ambiental del proceso.

En la Tabla 1 se listan los valores promedio del factor E para diversas ramas de la industria química.

Tabla 1: Relevancia del Factor E en la Industria.
Sector industrial Volumen de producción (Toneladas) Factor E (kg deshechos / kg producto)
Petroquímica 106-108 < 0.1
Industria Química 104-106 < 1-5
Química fina 102-104 5-50
Industria farmaceútica 10-103 25-100

Economía atómica

El concepto de economía atómica se debe a B. M Trost. Probablemente sea uno de los parámetros de análisis de reacciones más útiles, ya que permite evaluar la cantidad de residuos que se generan en una reacción o secuencias de reacciones. La economía atómica ha ejercido una gran influencia en el desarrollo posterior de la síntesis orgánica en su conjunto, en cuanto que enfoca el diseño de los procedimientos sintéticos hacia el concepto de sostenibilidad.

El cálculo de la economía atómica permite cuantificar el uso que se hace de cada uno de los átomos de un reactivo indicando cuáles de ellos se incorporan realmente al producto final. Con el concepto de economía atómica se asumen algunas aproximaciones para simplificar los cálculos.

Dado que es una medida de hasta qué punto se incorporan al producto final los reactivos, en el cálculo no computan la cantidad de disolvente empleada, el exceso de los reactivos orgánicos, los catalizadores o las sales inorgánicas que puedan añadirse a la reacción, y no interviene tampoco el rendimiento de la reacción.

Ejemplos

Para una reacción A + BC, la economía atómica será:

Como ejemplo para el cálculo de la EA podemos considerar la preparación de óxido de etileno (oxirano) por el método tradicional. Asumiendo que el rendimiento de la reacción fuese del 100 %, la economía atómica del proceso sería del 25.46 %.

 

Química Verde en los laboratorios de docencia

La aplicación de los principios de la Química Verde a los laboratorios docentes de Química Orgánica puede presentar dos vertientes.

Por un lado en lo que se refiere a la gestión de los mismos, mediante a una evaluación de las técnicas usadas, de la mejora de la seguridad de los procesos con los recursos disponibles y la calibración de la toxicidad de reactivos y disolventes utilizados comúnmente.

Por otro lado, y como consecuencia de esta evaluación, se puede realizar la sustitución progresiva de las sustancias más peligrosas o nocivas por otras menos agresivas con el entorno y con las personas y que realicen la misma función. Además, se pueden desarrollar nuevas técnicas que manteniendo, o incluso incrementando, el nivel de formación de los alumnos, sean más respetuosas con el medio ambiente.

En este sentido se pueden llevar a cabo dos tipos de actuaciones, de acuerdo con las tendencias que se siguen en la mayoría de universidades y otros centros docentes interesados en difundir los principios de la Química Verde en los laboratorios.

  • Desarrollo de prácticas específicas de Química Verde, en donde se enseñen métodos y procedimientos alternativos a los tradicionales.
  • Aprendizaje de las técnicas de microescala que supone la adquisición de las mismas destrezas que las técnicas convencionales de laboratorio con un consumo de reactivos y disolventes mucho menor y una generación de residuos mínima para cada experimento.