La química verde, o química sostenible, es el impulso estratégico hacia prácticas ecológicas y sostenibles en la industria química que tiene como objetivo lograr un doble objetivo de mayor eficiencia y reducción de residuos.
Vea nuestra lista completa de recursos de química verde y sostenible, incluidos estudios de casos y ejemplos de la industria. Este documento técnico demuestra cómo los datos en tiempo real proporcionados por la tecnología avanzada de METTLER TOLEDO respaldan la química ecológica y sostenible en la investigación, el desarrollo y la producción de moléculas y productos farmacéuticos, químicos y poliméricos.
Los 12 principios de la química verde fueron desarrollados a fines de la década de 1990 por químicos que querían hacer que los procesos químicos fueran más seguros y sostenibles. Seguir estas pautas en su laboratorio puede ayudarlo a minimizar su huella ambiental. Una gran ventaja de estos principios es que se pueden implementar en cualquier lugar, desde pequeños laboratorios hasta grandes operaciones industriales.
Evitar el desperdicio: Diseñar síntesis químicas para evitar el desperdicio, ya que es mejor prevenir que tratar o limpiar. Este es un principio fundamental para la química sostenible.
Maximizar la economía del átomo: Maximizar la proporción de materiales de partida que se incorporan al producto final. Esto minimiza el desperdicio al garantizar que se desperdicien pocos o ningún átomo.
Diseñar síntesis químicas menos peligrosas: Usar y generar sustancias con poca o ninguna toxicidad para los seres humanos o el medio ambiente. Esto reduce el riesgo en la fuente.
Diseñar productos químicos y productos más seguros: Desarrollar productos químicos que sean completamente efectivos y realicen la función deseada con una toxicidad mínima.
Utilizar disolventes y condiciones de reacción más seguros: Evitar el uso de sustancias auxiliares como solventes o use alternativas más seguras. Ejecutar reacciones a temperatura y presión ambiente también aumenta la eficiencia energética.
Aumentar la eficiencia energética: Minimizar los requisitos de energía de los procesos químicos para reducir el impacto ambiental y económico. Utilizar la temperatura y la presión ambiente cuando sea posible.
Utilizar materias primas renovables: Utilizar materias primas que sean renovables en lugar de consumibles. Los productos agrícolas y los flujos de desechos son a menudo fuentes de materias primas renovables.
Evitar los derivados químicos: Minimizar el uso de modificaciones temporales como bloquear o proteger grupos. Estos pasos requieren reactivos adicionales y generan residuos innecesarios.
Utilizar catalizadores, no reactivos estequiométricos: Utilizar reactivos catalíticos que sean selectivos y efectivos en pequeñas cantidades, ya que son superiores a los reactivos estequiométricos, que se utilizan en exceso y producen más residuos.
Productos químicos y productos de diseño para degradar después de su uso: Crear productos químicos que se descomponen en sustancias inocuas al final de su función, evitando que persistan en el medio ambiente.
Analizar en tiempo real para prevenir la contaminación: Desarrollar metodologías analíticas para el monitoreo y control en tiempo real durante las síntesis para prevenir la formación de subproductos peligrosos. Las soluciones de tecnología analítica de procesos (PAT) son clave para este principio.
Minimizar el potencial de accidentes: Elegir productos químicos y sus formas físicas para minimizar el riesgo de accidentes químicos, incluidas explosiones, incendios y emisiones ambientales.
"La química verde es el diseño de productos y procesos químicos que reducen o eliminan el uso o la generación de sustancias peligrosas. La química verde se aplica a lo largo del ciclo de vida de un producto químico, incluido su diseño, fabricación, uso y eliminación final".
Environmental Protection Agency (EPA)
El desarrollo de productos y procesos eficientes, sostenibles y, a menudo, novedosos requiere un conocimiento profundo y un control preciso. En muchos sentidos, lograr el doble objetivo de la química verde de eficiencia y reducción de desechos significa realizar una química más inteligente. El acceso a datos detallados del curso del tiempo y el control preciso de parámetros requiere las herramientas adecuadas.
Una de las tendencias más activas en la producción de productos químicos ecológicos es la calidad por diseño (QbD), y uno de los principales principios de QbD es el requisito de construir una reacción expansiva y una comprensión del proceso a través de la tecnología analítica de procesos (PAT) en línea y en tiempo real. Por lo tanto, QbD es un impulsor para el desarrollo de tecnología de análisis de reacciones en tiempo real. Además, la información y la comprensión del proceso que se pueden obtener de los datos completos proporcionados por el análisis de reacciones en tiempo real se mejoran enormemente mediante la aplicación de métodos de modelado y análisis de datos que hacen un uso completo de los experimentos ricos en datos (DRE).
Otra tendencia en la química verde es el desarrollo en rápida evolución de nuevas síntesis (y la conversión de la química más antigua) utilizando métodos de flujo continuo, que ofrecen varias ventajas en términos de productividad y sostenibilidad. La química de flujo se beneficia mejor de la tecnología de análisis de reacciones que proporciona mediciones continuas e ininterrumpidas. La tecnología de análisis en tiempo real, que incluye FTIR en línea , Raman, ultravioleta-visible (UV/Vis), NIR, NMR, HPLC y MS, se utiliza de forma rutinaria para analizar la química del flujo y garantizar la estabilidad y el rendimiento de los sistemas de flujo. Además, el análisis en tiempo real permite el desarrollo de sistemas de autooptimización para reacciones y procesos.
"La química sostenible es un concepto científico que busca mejorar la eficiencia con la que se utilizan los recursos naturales para satisfacer las necesidades humanas de productos y servicios químicos. La química sostenible abarca el diseño, la fabricación y el uso de productos y procesos químicos eficientes, eficaces, seguros y más benignos para el medio ambiente".
OECD, 2022 (Organisation for Economic Co-operation and Development)
La tecnología analítica de procesos (PAT), como FTIR in situ y FBRM, ha sido un impulsor clave para la investigación de química verde, lo que permite a los científicos e ingenieros monitorear y controlar reacciones y procesos en tiempo real. Los ricos datos analíticos obtenidos proporcionan información valiosa sobre la cinética de reacción, las transformaciones físicas y el efecto de las variables en el rendimiento, lo que permite a los científicos e ingenieros tomar decisiones respaldadas por datos que respaldan los principios de la química verde.
Por supuesto, nada de esto es posible sin un control preciso. Los investigadores han utilizado estaciones de trabajo de síntesis automatizadas para controlar y registrar con precisión todas las tareas principales realizadas alrededor de un reactor (temperatura, agitación, dosificación y muestreo) sin ninguna intervención manual. La realización de reacciones in silico ofrece otra forma de alcanzar los objetivos de sostenibilidad, ya que permite a los científicos examinar disolventes, determinar las condiciones óptimas y probar nuevas ideas utilizando inteligencia artificial y estadísticas.
Durante más de tres décadas, METTLER TOLEDO ha desarrollado potentes herramientas de análisis de reacciones y PAT para apoyar la investigación y el desarrollo y la ampliación de síntesis químicas ecológicas y procesos sólidos. La capacidad de supervisar, muestrear y controlar automáticamente las reacciones en tiempo real durante todo el día y convertir rápidamente los datos experimentales en información procesable ha revolucionado la investigación científica. La necesidad apremiante de hacer más con nuestros recursos existentes y reducir el desperdicio ahora requiere aprovechar estas mismas herramientas para impulsar la investigación, el desarrollo y la producción ecológicos y sostenibles en toda la industria química.
Comprensión en tiempo real de la cinética de reacción, las transiciones polimorfas y los mecanismos para optimizar las variables del proceso.
Comprensión en tiempo real de la cinética, los mecanismos y la vía de reacción para optimizar las variables de reacción.
Capture imágenes de alta resolución de partículas in situ para obtener una comprensión profunda del proceso para sistemas complejos.
Se inserta directamente en los reactores de laboratorio para rastrear el tamaño y el recuento de partículas cambiantes en tiempo real a concentraciones completas del proceso.
Aumente la productividad en su laboratorio con reactores de síntesis ecológicos con herramientas de automatización integradas.
Solución de muestreo automatizada y desatendida que ofrece muestras de alta calidad día y noche para análisis estándar fuera de línea, como HPLC.
Estimar parámetros cinéticos, modelado in silico, desarrollar condiciones óptimas de reacción.
Un enfoque unificado admite aplicaciones de laboratorio a planta para espectroscopia, caracterización de sistemas de partículas, control preciso del reactor y calorimetría.
Desafío: Investigar y desarrollar un proceso más ecológico para la formación de partículas esféricas y la granulación de etil vainillina.
El sabor sintético etil vainillina se usa ampliamente en una variedad de productos de consumo, pero los desafíos prácticos relacionados con el almacenamiento y el apelmazamiento dificultan su aplicación a gran escala. La formación preferencial de partículas esféricas puede mitigar estos problemas, haciendo que el procesamiento posterior sea más eficiente y mejorando la calidad del producto. Sin embargo, los métodos estándar para la cristalización esférica a menudo involucran solventes orgánicos peligrosos y costosos. Este trabajo describe el desarrollo de una tecnología de aglomeración esférica aceitada que elimina la necesidad de disolventes orgánicos, proporcionando un proceso más ecológico y rentable. Los investigadores utilizaron tecnologías de analíticas de procesos para investigar el fenómeno de aceitado de la etil vainillina en solución acuosa. La información mecanicista obtenida al monitorear la concentración cambiante de solutos a través de FTIR (ReactIR), así como el recuento y la morfología de partículas a través de EasyViewer y ParticleTrack G400 (sonda basada en FBRM) permitió la formación preferencial de partículas esféricas en una solución acuosa de cloruro de sodio mediante un proceso sencillo de calentamiento y enfriamiento. El producto esférico de etil vainillina resultante tiene excelentes propiedades en polvo, alta fluidez y alto rendimiento, lo que lo hace no solo más respetuoso con el medio ambiente de producir, sino también un producto de mayor calidad.
"En vista de los problemas actuales de una tasa de liberación de aroma demasiado rápida y las malas propiedades del polvo de la etil vainillina, este trabajo investiga sistemáticamente el fenómeno de la lubricación y el mecanismo de formación de partículas esféricas de etil vainillina en una solución acuosa. Con la ayuda de tecnologías analíticas de procesos (ATR-FTIR, FBRM y EasyViewer), se encuentran dos tipos de fenómenos de aceitado de etil vainillina en el agua con los cambios de temperatura. Además, los resultados de los espectros IR mostraron que la razón intrínseca de la aparición de dos fenómenos de aceitado de etil vainillina en el agua es la conmutación de diferentes tipos de enlaces de hidrógeno intermoleculares inducidos por solvatación ... Las partículas esféricas de etil vainillina se preparan con éxito en la solución acuosa de cloruro de sodio mediante la tecnología de aglomeración esférica de aceitado. Esta tecnología ecológica elimina el uso de disolventes peligrosos y combina las dos operaciones unitarias de cristalización y granulación, lo que es especialmente adecuado para la industria alimentaria".
Liu, Y., Wang, S., Li, J., Guo, S., Yan, H., Li, K., Tong, L., Gao, Y., Li, T., Chen, M, Gao, Z. y Gong, J. (2023). Preparación de partículas esféricas de etil vainillina con funciones de liberación sostenida y antiaglomerante mediante un proceso orgánico sin disolventes. Química de los alimentos, 402, 134518. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2022.134518
Desafío: Desarrollar una reacción de oxidación de cetonas más eficiente y segura utilizando oxígeno, un reactivo ecológico y de bajo costo.
El uso de oxígeno como oxidante es atractivo para el medio ambiente, pero presenta riesgos de seguridad cuando se realiza en lotes debido a la posible combustión de vapores de solventes en el espacio de cabeza del reactor. Fava et. al. conceptualizó y desarrolló un enfoque de flujo continuo para la oxidación aeróbica de una cetona intermedia en la síntesis del API antitumoral, AZD4635, mitigando eficazmente este riesgo. La oxidación de cetonas fue promovida por un catalizador de acetato de cobre en solvente DMSO, y se investigó el efecto de la temperatura del reactor, la carga del catalizador y el caudal de gas. Los datos obtenidos a través de ReactIR proporcionaron información clave sobre la relación entre la temperatura y la conversión, lo que permitió una fácil optimización de la temperatura de reacción. La implementación del flujo continuo optimizado redujo la síntesis general de API a tres pasos (en lugar de cinco en lotes), lo que produjo un proceso más seguro, ecológico y económico.
"Habiendo cambiado la concentración, reoptimizamos la temperatura de reacción. Para obtener datos analíticos en tiempo real, implementamos un instrumento ReactIR 15 de Mettler Toledo equipado con una celda de flujo que se incorporó a la salida de la configuración de flujo continuo. Para reducir el ruido de fondo debido a las burbujas de oxígeno en la celda, se introdujo un separador de membrana entre la salida del reactor y la celda de flujo. Los espectros IR para 3 [cetona] y 4 [producto oxidado] mostraron diferentes bandas de absorción a 1689 cm−1 y 1675, 1693 cm−1, respectivamente. Por lo tanto, la conversión relativa pudo monitorearse en tiempo real y, al variar la temperatura, descubrimos que la oxidación procedió con una excelente conversión a 120 ° C, mientras que las temperaturas más bajas llevaron a una conversión incompleta".
Fava, E., Karlsson, S. y Jones, M. D. (2022). Uso de oxígeno como oxidante primario en un proceso continuo: aplicación al desarrollo de una ruta eficiente para AZD4635. Investigación y desarrollo de procesos orgánicos, 26 (4), 1048–1053. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.1c00279
Desafío: Desarrollar un método químico más sostenible para sintetizar compuestos fluorados utilizando complejos de rodio e iridio como catalizadores. Mida los tiempos de reacción y determine los efectos de la sustitución de arilo en las tasas de fluoración.
La industria farmacéutica ha aumentado el interés estratégico en el desarrollo de metodologías catalíticas limpias para sintetizar compuestos fluorados. En 2020, el 37% de todos los productos farmacéuticos de moléculas pequeñas aprobados por la FDA contenían al menos una fracción de flúor, un marcado aumento del 26% entre 2011 y 2020. Sin embargo, los métodos sintéticos comunes existentes a menudo requieren el uso de reactivos fluorados altamente reactivos. Los investigadores evaluaron la actividad de los complejos organometálicos recientemente descubiertos hacia la fluoración catalítica y desarrollaron un protocolo eficiente para usar [(η5,κ2C-C5Me4CH2C6F5CH2NC3H2NMe)-RhCl] para catalizar la fluoración de una variedad de cloruros de acilo, como donante de fluoruro. El protocolo desarrollado dio como resultado un excelente rendimiento (94%) en tan solo una hora y permitió la recuperación del catalizador, aumentando aún más la economía del átomo de la síntesis. Las mediciones FTIR in situ (ReactIR) verificaron la conversión limpia de sustratos en productos, y proporcionaron los datos de curso de tiempo necesarios para la investigación computacional que condujo a un mecanismo propuesto que involucra la formación de un nuevo enlace Rh-F.
Morgan, P.J., Saunders, G.C., Macgregor, S.A., Marr, A.C. y Licence, P. (2022). Fluoración nucleofílica catalizada por un complejo de rodio ciclometalizado. Organometálicos, 41, 883−891. https://doi.org/10.1021/acs.organomet.2c00052
Desafío: Desarrollar una ruta sintética más ecológica para una molécula antagonista opioide utilizando una síntesis basada en electroquímicos. Obtenga información sobre el mecanismo de oxidación de un grupo N-CH3 a un iminio.
El aumento de la demanda de medicamentos que salvan vidas y que pueden revertir la sobredosis de opioides ha llevado a un aumento significativo en su precio. Investigaciones recientes destinadas a reducir los costos de producción a través de rutas sintéticas más eficientes se han centrado en los pasos más desafiantes en la preparación de muchos antagonistas opioides: la N-desmetilación selectiva de un precursor de 14-hidroximorfinano. A gran escala, la N-desmetilación se lleva a cabo con cantidades estequiométricas de productos químicos peligrosos como el bromuro de cianógeno o los cloroformiatos. Los investigadores desarrollaron un método electroquímico sin catalizadores ni reactivos para la etapa de N-desmetilación basado en la oxidación anódica de dos electrones de la amina terciaria, proporcionando así un enfoque mucho más sostenible y económico. Se llevó a cabo el cribado de la condición de reacción inicial mediante la electrólisis de oxicodona en una celda indivisa a temperatura ambiente como modelo. El uso de un ánodo de grafito y un cátodo de acero inoxidable en acetonitrilo con LiClO4 como electrolito de soporte logró una conversión del 29% a oxazolidina con muy buena selectividad. El FTIR in situ proporcionó un monitoreo en tiempo real del ion iminio, lo que llevó a un mecanismo propuesto para la oxazolidinación electroquímica y el O,N desmetilativo -Transferencia de acilo de varios precursores opioides importantes. El protocolo desarrollado se ha transferido a una celda de electrólisis de flujo, lo que permite el escalado.
“… También se intentó la observación directa del ion Iminium mediante espectroscopia infrarroja, nuevamente utilizando la metodología de "piscina de cationes". En este caso, se sumergió una sonda FTIR en la cámara anódica de la célula dividida. El derivado de oxicodona 6-oxiodol, con el grupo cetona reducido a alcohol, se utilizó como sustrato para eliminar la interferencia de la señal carbonílica del IR. Afortunadamente, bajo electrólisis, apareció un pico débil a unos 1657 cm-1 que podría atribuirse al tramo C-N del intermedio. La débil señal observada apoyó la hipótesis de que el catión de iminio no es lo suficientemente estable a -45 °C".
Glotz, G., Kappe, C. O. y Cantillo, D. (2020). N-desmetilación electroquímica de 14-hidroximorfinanos: acceso sostenible a antagonistas opioides. Cartas orgánicas, 22(17), 6891–6896. https://doi.org/10.1021/acs.orglett.0c02424
Desafío: Desarrollar un proceso ecológico, robusto y altamente eficiente para sintetizar hexenoatos enantioméricamente puros.
Los (3R)-3-hidroxil-5-hexenoatos enantioméricamente puros (1) son importantes intermediarios quirales en la síntesis de una variedad de compuestos farmacéuticos. Las estrategias sintéticas de acceso (1) basadas en métodos químicos tienen importantes inconvenientes relacionados con la productividad y la sostenibilidad. La biocatálisis ofrece una alternativa sostenible. El sistema de enzimas duales compuesto por un KRED mutante (es decir, KRED-06) y una alcohol deshidrogenasa de kéfir de Lactobacillus (LkADH) junto con el reciclaje de cofactores in situ proporciona un excelente rendimiento y enantioselectividad de (1), pero siguen existiendo problemas prácticos para la aplicación industrial.
Para abordar estos problemas, los investigadores desarrollaron un proceso verde de flujo continuo para producir (1) mediante la coinmovilización de KRED/LkADH en un portador de alcohol polivinílico (PVA) mediante atrapamiento y cargándolo en un reactor tubular con unidades de extracción microfluídica líquido-líquido y separación por membranas en línea. Las pruebas de diferentes portadores revelaron que el PVA produjo la mayor actividad catalítica, así como estabilidad mecánica y física. La optimización rápida posterior aprovechó el análisis FTIR y GC-MS en línea. ReactIR se utilizó para establecer que se alcanzó el estado estacionario después de que la corriente de reacción salió del reactor de flujo y que se formó un flujo de pistón ideal dentro del reactor de flujo, lo que confirma que la solución de reacción se distribuyó bien mientras fluía a través del KRED/LkADH@PVA empaquetado.
"La optimización rápida de la reacción de flujo se llevó a cabo explotando el monitoreo FTIR en línea y el análisis GC−MS. La síntesis de flujo continuo con el sustrato modelo puede permitir una marcada intensificación del proceso en comparación con la reacción por lotes correspondiente... Los resultados de este trabajo no solo subrayan la robustez y utilidad de KRED/ LkADH@PVA sino que también proporcionan un proceso de flujo continuo más ecológico y sostenible para la producción altamente eficiente de (3R)-hidroxilo-5-hexenoatos enantioméricamente puros que se pueden realizar fácilmente a escala.
Hu, C., Huang, Z., Jiang, M., Tao, Y., Li, Z., Wu, X., Cheng, D. y Chen, F. (2021). Síntesis asimétrica de flujo continuo de (3R)-3-hidroxilo-5-hexenoatos con cetoreductasa coinmovilizada y kéfir deshidrogenasa de lactobacilo que integra extractores de líquido-líquido microfluídicos en línea más ecológicos y separadores de membrana. Química e ingeniería sostenibles de ACS, 9(27), 8990–9000. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c01419
Desafío: Para eliminar las duras condiciones de reacción y los reactivos agresivos utilizados para la metilación de organohaluros, se desarrolló un nuevo enfoque que utiliza trimetilortoformiato como fuente de metilo en una catálisis de níquel/fotorredox.
Este nuevo enfoque para la metilación de organohaluros se puede realizar en condiciones relativamente suaves, sin productos químicos agresivos o altamente tóxicos, utilizando el reactivo orgánico común trimetilortoformiato como fuente del grupo metilo y es consistente con los objetivos de la química verde. ReactIR y NMR apoyan el mecanismo de escisión ß para la reacción.
Una vez explorado a fondo el alcance de la reacción, se investigó el mecanismo de la reacción mediante FTIR in situ. El seguimiento de la reacción indicó que el carbonato de dimetilo y la 4'-metilacetofenona se generan en una proporción de 1:1, a partir del material de partida de 4'-cloroacetofenona. La RMN cuantitativa de 13C también mostró que la formación de los productos estaba en una proporción de 1:1. Los experimentos de IR y RMN se consideraron indicativos de una cinética general de orden distinto de cero. La formación de cantidades estequiométricas de subproducto de carbonato de dimetilo es consistente con un mecanismo de escisión ß.
Kariofillis, S. K., Shields, B. J., Tekle-Smith, M. A., Zacuto, M. J. y Doyle, A. G. (2020). Metilación catalizada por níquel / fotorredoxo de cloruros de (hetero)arilo utilizando ortoformiato de trimetilo como fuente de radical metilo. Revista de la Sociedad Química Estadounidense, 142 (16), 7683–7689. https://doi.org/10.1021/jacs.0c02805
El análisis en tiempo real es un principio fundamental de la química verde que promueve el uso de métodos analíticos para identificar y rastrear contaminantes en el proceso de producción. Al recopilar datos en tiempo real, se pueden tomar medidas inmediatas para evitar la contaminación adicional y salvaguardar el medio ambiente.
El análisis en tiempo real utiliza tecnología moderna basada en sondas que se puede colocar directamente en los flujos de proceso para permitir el perfil analítico del material durante la reacción. Algunos ejemplos de tecnología de análisis en tiempo real incluyen: