La chimica verde, o chimica sostenibile, è la spinta strategica verso pratiche green e sostenibili nell'industria chimica che mira a raggiungere un duplice obiettivo di maggiore efficienza e riduzione degli sprechi.
Visualizza il nostro elenco completo di risorse per la chimica verde e sostenibile, inclusi casi di studio ed esempi di settore. Questo libro bianco dimostra come i dati in tempo reale forniti dalla tecnologia avanzata di METTLER TOLEDO supportino la chimica verde e sostenibile nella ricerca, nello sviluppo e nella produzione di molecole e prodotti farmaceutici, chimici e polimerici.
I 12 principi della chimica verde sono stati sviluppati alla fine degli anni '90 da chimici che volevano rendere i processi chimici più sicuri e sostenibili. Seguire queste linee guida nel laboratorio può aiutare a ridurre al minimo l'impatto ambientale. Un aspetto positivo di questi principi è che possono essere implementati ovunque, dai piccoli laboratori alle grandi operazioni industriali.
Prevenire gli sprechi: Progetta sintesi chimiche per prevenire gli sprechi, poiché è meglio prevenire che trattare o ripulire. Questo è un principio fondamentale per una chimica sostenibile.
Massimizza l'economia dell'atomo: Massimizza la proporzione di materiali di partenza che vengono incorporati nel prodotto finale. Ciò riduce al minimo gli sprechi garantendo che vengano sprecati pochi o nessun atomo.
Progettazione di sintesi chimiche meno pericolose: Utilizzare e generare sostanze con tossicità minima o nulla per l'uomo o l'ambiente. Ciò riduce il rischio alla fonte.
Progetta sostanze chimiche e prodotti più sicuri: Sviluppare prodotti chimici che siano pienamente efficaci e svolgano la funzione desiderata con una tossicità minima.
Utilizzare solventi e condizioni di reazione più sicuri: Evitare l'uso di sostanze ausiliarie come i solventi o utilizzare alternative più sicure. L'esecuzione di reazioni a temperatura e pressione ambiente aumenta anche l'efficienza energetica.
Aumentare l'efficienza energetica: Ridurre al minimo il fabbisogno energetico dei processi chimici per ridurre l'impatto ambientale ed economico. Utilizzare la temperatura e la pressione ambiente quando possibile.
Utilizzare materie prime rinnovabili: Utilizzare materie prime rinnovabili piuttosto che esauribili. I prodotti agricoli e i flussi di rifiuti sono spesso fonti di materie prime rinnovabili.
Evitare i derivati chimici: Riduci al minimo l'uso di modifiche temporanee come il blocco o la protezione dei gruppi. Queste fasi richiedono reagenti aggiuntivi e generano sprechi inutili.
Utilizzare catalizzatori, non reagenti stechiometrici: Utilizzare reagenti catalitici selettivi ed efficaci in piccole quantità, in quanto superiori ai reagenti stechiometrici, che vengono utilizzati in eccesso e producono più rifiuti.
Progettare sostanze chimiche e prodotti che si degradino dopo l'uso: Creare prodotti chimici che si scompongono in sostanze innocue al termine della loro funzione, impedendo loro di persistere nell'ambiente.
Analizza in tempo reale per prevenire l'inquinamento: Sviluppare metodologie analitiche per il monitoraggio e il controllo in tempo reale durante le sintesi per prevenire la formazione di sottoprodotti pericolosi. Le soluzioni di tecnologia analitica di processo (PAT) sono fondamentali per questo principio.
Ridurre al minimo il rischio di incidenti: Scegli le sostanze chimiche e le loro forme fisiche per ridurre al minimo il rischio di incidenti chimici, tra cui esplosioni, incendi e rilasci ambientali.
"La chimica verde è la progettazione di prodotti chimici e processi che riducono o eliminano l'uso o la generazione di sostanze pericolose. La chimica verde si applica a tutto il ciclo di vita di un prodotto chimico, compresa la progettazione, la produzione, l'uso e lo smaltimento finale".
Environmental Protection Agency (EPA)
Lo sviluppo di prodotti e processi efficienti, sostenibili e spesso nuovi richiede una conoscenza approfondita e un controllo preciso. Per molti versi, raggiungere il duplice obiettivo della chimica verde, quello di efficienza e riduzione degli sprechi, significa eseguire una chimica più intelligente. L'accesso a dati dettagliati sull'andamento temporale e al controllo preciso dei parametri richiede gli strumenti giusti.
Una delle tendenze più attive nella produzione di prodotti chimici ecologici è la Quality by Design (QbD) e uno dei principi principali della QbD è la necessità di costruire una comprensione espansiva delle reazioni e dei processi attraverso la tecnologia analitica di processo (PAT) online e in tempo reale. Pertanto, la QbD è un driver per lo sviluppo della tecnologia di analisi delle reazioni in tempo reale. Inoltre, le informazioni e la comprensione dei processi che possono essere raccolte dai dati completi forniti dall'analisi delle reazioni in tempo reale sono notevolmente migliorate dall'applicazione di metodi di modellazione e analisi dei dati che sfruttano appieno gli esperimenti ricchi di dati (DRE).
Un'altra tendenza nella chimica verde è lo sviluppo in rapida evoluzione di nuove sintesi (e la conversione di sostanze chimiche più vecchie) utilizzando metodi a flusso continuo, che offrono numerosi vantaggi in termini di produttività e sostenibilità. La chimica a flusso è meglio servita dalla tecnologia di analisi delle reazioni che fornisce misurazioni continue e ininterrotte. La tecnologia di analisi in tempo reale, tra cui FTIR online , Raman, ultravioletto visibile (UV/Vis), NIR, NMR, HPLC e MS, viene utilizzata di routine per analizzare la chimica del flusso e garantire la stabilità e le prestazioni dei sistemi di flusso. Inoltre, l'analisi in tempo reale consente lo sviluppo di sistemi di auto-ottimizzazione per reazioni e processi.
"La chimica sostenibile è un concetto scientifico che cerca di migliorare l'efficienza con cui le risorse naturali vengono utilizzate per soddisfare le esigenze umane di prodotti e servizi chimici. La chimica sostenibile comprende la progettazione, la produzione e l'uso di prodotti e processi chimici efficienti, efficaci, sicuri e più rispettosi dell'ambiente".
OECD, 2022 (Organisation for Economic Co-operation and Development)
La tecnologia analitica di processo (PAT), come FTIR e FBRM in situ, è stata un fattore chiave per la ricerca sulla chimica verde, consentendo a scienziati e ingegneri di monitorare e controllare reazioni e processi in tempo reale. I ricchi dati analitici ottenuti forniscono preziose informazioni sulla cinetica di reazione, sulle trasformazioni fisiche e sull'effetto delle variabili sulle prestazioni, consentendo a scienziati e ingegneri di prendere decisioni supportate da dati che supportano i principi della chimica verde.
Naturalmente, nulla di tutto questo è possibile senza un controllo preciso. I ricercatori hanno utilizzato workstation di sintesi automatizzate per controllare e registrare con precisione tutte le principali attività eseguite intorno a un reattore (temperatura, agitazione, dosaggio e campionamento) senza alcun intervento manuale. Condurre reazioni in silico offre un altro modo per raggiungere gli obiettivi di sostenibilità, consentendo agli scienziati di esaminare i solventi, determinare le condizioni ottimali e testare nuove idee utilizzando l'intelligenza artificiale e le statistiche.
Per oltre trent'anni, METTLER TOLEDO ha sviluppato potenti strumenti di analisi PAT e delle reazioni per supportare la ricerca e lo sviluppo e l'aumento di scale di sintesi chimiche ecologiche e processi robusti. La capacità di monitorare, campionare e controllare automaticamente le reazioni in tempo reale 24 ore su 24 e di trasformare rapidamente i dati sperimentali in informazioni utilizzabili ha rivoluzionato la ricerca scientifica. L'urgente necessità di fare di più con le nostre risorse esistenti e ridurre gli sprechi richiede ora di sfruttare questi stessi strumenti per guidare la ricerca, lo sviluppo e la produzione ecologici e sostenibili in tutta l'industria chimica.
Comprensione in tempo reale della cinetica di reazione, delle transizioni polimorfe e dei meccanismi per ottimizzare le variabili di processo.
Comprensione in tempo reale della cinetica di reazione, dei meccanismi e del percorso per ottimizzare le variabili di reazione.
Acquisisci immagini ad alta risoluzione di particelle in situ per ottenere una comprensione approfondita dei processi per sistemi complessi.
Inserito direttamente nei reattori di laboratorio per tenere traccia delle variazioni delle dimensioni delle particelle e contare in tempo reale alle concentrazioni complete del processo.
Aumentate la produttività del vostro laboratorio con i reattori di sintesi ecologici dotati di strumenti di automazione integrati.
Soluzione di campionamento automatizzata e non presidiata che fornisce campioni di alta qualità giorno e notte per analisi offline standard, come l'HPLC.
Stimare i parametri cinetici, modellare in silico, sviluppare condizioni di reazione ottimali.
Un approccio unificato supporta le applicazioni dal laboratorio all'impianto per la spettroscopia, la caratterizzazione del sistema di particelle, il controllo preciso del reattore e la calorimetria.
Sfida: Studiare e sviluppare un processo più ecologico per la formazione di particelle sferiche e la granulazione dell'etilvanillina.
L'aroma sintetico etilvanillina è ampiamente utilizzato in una varietà di prodotti di consumo, ma le sfide pratiche relative alla conservazione e all'agglomerazione ne ostacolano l'ulteriore applicazione su larga scala. La formazione preferenziale di particelle sferiche può mitigare questi problemi, rendendo la lavorazione a valle più efficiente e con conseguente miglioramento della qualità del prodotto. Tuttavia, i metodi standard per la cristallizzazione sferica spesso utilizzano solventi organici pericolosi e costosi. Questo lavoro descrive lo sviluppo di una tecnologia di agglomerazione sferica oiling-out che elimina la necessità di solventi organici, fornendo un processo più ecologico ed economico. I ricercatori hanno utilizzato tecnologie analitiche di processo per studiare il fenomeno dell'oiling-out dell'etilvanillina in soluzione acquosa. Le informazioni meccanicistiche ottenute dal monitoraggio della variazione della concentrazione di soluto tramite FTIR (ReactIR), nonché il conteggio e la morfologia delle particelle tramite EasyViewer e ParticleTrack G400 (sonda basata su FBRM) hanno consentito la formazione preferenziale di particelle sferiche in una soluzione acquosa di cloruro di sodio utilizzando un semplice processo di riscaldamento e tempra. Il prodotto sferico di etilvanillina risultante ha eccellenti proprietà in polvere, elevata scorrevolezza e alta resa, che lo rendono non solo più ecologico da produrre, ma anche un prodotto di qualità superiore.
"In considerazione degli attuali problemi di velocità di rilascio dell'aroma troppo rapida e delle scarse proprietà della polvere di etilvanillina, questo lavoro studia sistematicamente il fenomeno dell'oliatura e il meccanismo di formazione di particelle sferiche di etilvanillina in una soluzione acquosa. Con l'aiuto delle tecnologie analitiche di processo (ATR-FTIR, FBRM e EasyViewer), si riscontrano due tipi di fenomeni di oliatura dell'etilvanillina nell'acqua con variazioni di temperatura. Inoltre, i risultati degli spettri IR hanno mostrato che la ragione intrinseca per la comparsa di due fenomeni di lubrificazione dell'etilvanillina nell'acqua è la commutazione di diversi tipi di legami idrogeno intermolecolari indotti dalla solvatazione... Le particelle sferiche di etilvanillina vengono preparate con successo nella soluzione acquosa di cloruro di sodio mediante la tecnologia di agglomerazione sferica oiling-out. Questa tecnologia ecologica elimina l'uso di solventi pericolosi e combina le due operazioni unitarie di cristallizzazione e granulazione, particolarmente adatte per l'industria alimentare".
Liu, Y., Wang, S., Li, J., Guo, S., Yan, H., Li, K., Tong, L., Gao, Y., Li, T., Chen, M, Gao, Z. & Gong, J. (2023). Preparazione di particelle sferiche di etilvanillina con funzioni di rilascio prolungato e antiagglomerante mediante un processo privo di solventi organici. Chimica degli alimenti, 402, 134518. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2022.134518
Sfida: sviluppare una reazione di ossidazione dei chetoni più efficiente e sicura utilizzando l'ossigeno , un reagente ecologico a basso costo.
L'uso dell'ossigeno come ossidante è interessante per l'ambiente, ma pone rischi per la sicurezza se condotto in batch a causa della potenziale combustione di vapori di solvente nello spazio di testa del reattore. Fava et. al. ha concettualizzato e sviluppato un approccio a flusso continuo all'ossidazione aerobica di un intermedio chetonico nella sintesi dell'API antitumorale, AZD4635, mitigando efficacemente questo rischio. L'ossidazione dei chetoni è stata promossa da un catalizzatore di acetato di rame nel solvente DMSO e sono stati studiati l'effetto della temperatura del reattore, del carico del catalizzatore e della portata del gas. I dati ottenuti tramite ReactIR hanno fornito informazioni chiave sulla relazione tra temperatura e conversione, consentendo una facile ottimizzazione della temperatura di reazione. L'implementazione del flusso continuo ottimizzato ha ridotto la sintesi complessiva dell'API a tre fasi (invece delle cinque del batch), ottenendo un processo più sicuro, più ecologico e più economico.
"Dopo aver modificato la concentrazione, abbiamo riottimizzato la temperatura di reazione. Per ottenere dati analitici in tempo reale, abbiamo implementato uno strumento Mettler Toledo ReactIR 15 dotato di una cella di flusso incorporata all'uscita della configurazione a flusso continuo. Per ridurre il rumore di fondo dovuto alle bolle di ossigeno nella cella, è stato introdotto un separatore a membrana tra l'uscita del reattore e la cella di flusso. Gli spettri IR per 3 [chetone] e 4 [prodotto ossidato] hanno mostrato diverse bande di assorbimento rispettivamente a 1689 cm-1 e 1675, 1693 cm-1. La conversione relativa poteva quindi essere monitorata in tempo reale e, variando la temperatura, abbiamo scoperto che l'ossidazione procedeva con un'ottima conversione a 120 °C, mentre temperature più basse portavano a una conversione incompleta".
Fava, E., Karlsson, S., & Jones, M. D. (2022). Utilizzo dell'ossigeno come ossidante primario in un processo continuo: applicazione allo sviluppo di un percorso efficiente per AZD4635. Ricerca e sviluppo dei processi organici, 26(4), 1048-1053. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.1c00279
Sfida: Sviluppare un metodo chimico più sostenibile per sintetizzare composti fluorurati utilizzando complessi di rodio e iridio come catalizzatori. Misurare i tempi di reazione e determinare gli effetti della sostituzione arilica sui tassi di fluorurazione.
L'industria farmaceutica ha un crescente interesse strategico nello sviluppo di metodologie catalitiche pulite per sintetizzare composti fluorurati. Nel 2020, il 37% di tutti i prodotti farmaceutici a piccole molecole approvati dalla FDA conteneva almeno una porzione di fluoro, un netto aumento rispetto al 26% tra il 2011 e il 2020. Tuttavia, i comuni metodi sintetici esistenti richiedono spesso l'uso di reagenti fluorurati altamente reattivi. I ricercatori hanno valutato l'attività dei complessi organometallici scoperti di recente verso la fluorurazione catalitica e hanno sviluppato un protocollo efficiente per l'utilizzo di [(η5,κ2C-C5Me4CH2C6F5CH2NC3H2NMe)-RhCl] per catalizzare la fluorurazione di una gamma di cloruri acilici, come donatore di fluoruro. Il protocollo sviluppato ha portato a un'eccellente resa (94%) in appena un'ora e ha permesso il recupero del catalizzatore, aumentando ulteriormente l'economia atomica della sintesi. Le misure FTIR in situ (ReactIR) hanno verificato la conversione pulita dei substrati in prodotti, oltre a fornire i ricchi dati sull'andamento temporale necessari per l'indagine computazionale che ha portato alla proposta di un meccanismo che coinvolge la formazione di un nuovo legame Rh-F.
Morgan, P.J., Saunders, G.C., Macgregor, S.A., Marr, A.C. & e Licence, P. (2022). Fluorurazione nucleofila catalizzata da un complesso di rodio ciclometallato. Organometallici, 41, 883-891. https://doi.org/10.1021/acs.organomet.2c00052
Sfida: Sviluppare un percorso sintetico più ecologico per una molecola antagonista degli oppioidi utilizzando una sintesi basata sull'elettrochimica. Ottieni informazioni sul meccanismo dell'ossidazione di un gruppo N-CH3 in un imminio.
L'aumento della domanda di farmaci salvavita in grado di invertire l'overdose da oppioidi ha portato a un aumento significativo del loro prezzo. Recenti ricerche volte a ridurre i costi di produzione attraverso vie sintetiche più efficienti si sono concentrate sulle fasi più impegnative nella preparazione di molti antagonisti degli oppioidi: la N-demetilazione selettiva di un precursore del 14-idrossimorfinano. Su larga scala, la N-demetilazione viene effettuata con quantità stechiometriche di sostanze chimiche pericolose come il bromuro di cianogeno o i cloroformiati. I ricercatori hanno sviluppato un metodo elettrochimico privo di catalizzatori e reagenti per la fase di N-demetilazione basato sull'ossidazione anodica a due elettroni dell'ammina terziaria, fornendo così un approccio molto più sostenibile ed economico. È stato effettuato lo screening delle condizioni di reazione iniziali utilizzando l'elettrolisi dell'ossicodone in una cella indivisa a temperatura ambiente come modello. Utilizzando un anodo di grafite e un catodo in acciaio inossidabile in acetonitrile con LiClO4 come elettrolita di supporto, si è ottenuta una conversione del 29% in ossazolidina con un'ottima selettività. La FTIR in situ ha fornito il monitoraggio in tempo reale dello ione imminio, portando a un meccanismo proposto per l'ossazolididazione elettrochimica e la demetilazione dell'O,N-trasferimento acilico di diversi importanti precursori di oppioidi. Il protocollo sviluppato è stato trasferito a una cella di elettrolisi a flusso, consentendo lo scale-up.
“… È stata anche tentata l'osservazione diretta dello ione imminio mediante spettroscopia infrarossa, sempre utilizzando la metodologia del "pool cationico". In questo caso, una sonda FTIR è stata immersa nella camera anodica della cella divisa. Il derivato dell'ossicodone 6-ossiodolo, con il gruppo chetonico ridotto ad alcol, è stato utilizzato come substrato per eliminare l'interferenza del segnale carbonilico dall'IR. Fortunatamente, sotto elettrolisi, è apparso un picco debole a circa 1657 cm-1 che potrebbe essere attribuito al tratto C-N dell'intermedio. Il debole segnale osservato ha supportato l'ipotesi che il catione imminio non sia sufficientemente stabile a -45 °C".
Glotz, G., Kappe, CO e Cantillo, D. (2020). N-demetilazione elettrochimica dei 14-idrossi morfinani: accesso sostenibile agli antagonisti degli oppioidi. Lettere organiche, 22(17), 6891–6896. https://doi.org/10.1021/acs.orglett.0c02424
Sfida: Sviluppare un processo ecologico, robusto e altamente efficiente per la sintesi di esenoati enantiomericamente puri.
I (3R)-3-idrossil-5-esossati enantiomericamente puri (1) sono importanti intermedi chirali nella sintesi di una varietà di composti farmaceutici. Le strategie sintetiche per l'accesso (1) basate su metodi chimici presentano notevoli svantaggi legati alla produttività e alla sostenibilità. La biocatalisi offre un'alternativa sostenibile. Il sistema a doppio enzima composto da un KRED mutante (cioè KRED-06) e da Lactobacillus kefir alcol deidrogenasi (LkADH) accoppiato con il riciclo del cofattore in situ fornisce un'eccellente resa ed enantioselettività di (1), ma rimangono problemi pratici per l'applicazione industriale.
Per affrontare questi problemi, i ricercatori hanno sviluppato un processo a flusso continuo ecologico per produrre (1) co-immobilizzando KRED/LkADH in un vettore di alcol polivinile (PVA) tramite intrappolamento e caricandolo in un reattore tubolare con estrazione microfluidica liquido-liquido in linea e unità di separazione a membrana. I test su diversi vettori hanno rivelato che il PVA ha prodotto la massima attività catalitica e stabilità meccanica e fisica. La successiva rapida ottimizzazione ha sfruttato l'analisi FTIR e GC-MS in linea. ReactIR è stato utilizzato per stabilire che lo stato stazionario è stato raggiunto dopo che il flusso di reazione è uscito dal reattore a flusso e che il flusso a pistone ideale si è formato all'interno del reattore a flusso, confermando che la soluzione di reazione era ben distribuita mentre scorreva attraverso il KRED/LkADH@PVA impaccato.
«L'ottimizzazione rapida della reazione di flusso è stata effettuata sfruttando il monitoraggio FTIR in linea e l'analisi GC−MS. La sintesi a flusso continuo con il substrato modello può consentire una marcata intensificazione del processo rispetto alla corrispondente reazione batch... I risultati di questo lavoro non solo sottolineano la robustezza e l'utilità di KRED/LkADH@PVA ma forniscono anche un processo a flusso continuo più ecologico e sostenibile per una produzione altamente efficiente di (3R)-idrossil-5-esossati enantiomericamente puri che possono essere facilmente realizzati su larga scala.
Hu, C., Huang, Z., Jiang, M., Tao, Y., Li, Z., Wu, X., Cheng, D., & Chen, F. (2021). Sintesi asimmetrica a flusso continuo di (3R)-3-idrossil-5-esenoati con chetoreduttasi co-immobilizzata e Lactobacillus kefir deidrogenasi che integrano estrattori liquido-liquido microfluidici in linea più ecologici e separatori a membrana. ACS Chimica e ingegneria sostenibili, 9(27), 8990-9000. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c01419
Sfida: per eliminare le dure condizioni di reazione e i reagenti aggressivi utilizzati per la metilazione degli organoalogenuri, è stato sviluppato un nuovo approccio che utilizza il trimetilortoformiato come fonte di metile in una catalisi di nichel/fotoredox.
Questo nuovo approccio alla metilazione degli organoalogenuri può essere eseguito in condizioni relativamente blande, senza sostanze chimiche aggressive o altamente tossiche, utilizzando il comune reagente organico trimetilortoformiato come fonte del gruppo metilico ed è coerente con gli obiettivi della chimica verde. ReactIR e NMR supportano il meccanismo di ß-scissione per la reazione.
Una volta esplorato a fondo l'ambito della reazione, il meccanismo della reazione è stato studiato tramite FTIR in situ. Il monitoraggio della reazione ha indicato che il dimetilcarbonato e il 4'-metilacetofenone sono generati in un rapporto 1:1, dal materiale di partenza 4'-cloroacetofenone. La risonanza magnetica quantitativa al 13C ha anche mostrato che la formazione dei prodotti era in un rapporto 1:1. Gli esperimenti IR e NMR sono stati considerati indicativi di una cinetica complessiva di ordine diverso da zero. La formazione di quantità stechiometriche di sottoprodotto del dimetilcarbonato è coerente con un meccanismo di ß-scissione.
Kariofillis, S. K., Shields, B. J., Tekle-Smith, M. A., Zacuto, M. J., & Doyle, A. G. (2020). Metilazione catalizzata da nichel/fotoredox di cloruri (etero)arilici utilizzando il trimetilortoformiato come fonte di radicali metilici. Giornale della Società Chimica Americana, 142(16), 7683–7689. https://doi.org/10.1021/jacs.0c02805
L'analisi in tempo reale è un principio fondamentale della chimica verde che promuove l'utilizzo di metodi analitici per identificare e tracciare gli inquinanti nel processo produttivo. Raccogliendo i dati in tempo reale, è possibile adottare misure immediate per evitare ulteriore inquinamento e salvaguardare l'ambiente.
L'analisi in tempo reale utilizza una moderna tecnologia basata su sonde che può essere inserita direttamente nei flussi di processo per consentire la profilazione analitica del materiale durante la reazione. Alcuni esempi di tecnologia di analisi in tempo reale includono: