Retomando la idea original de Anastas y Warner, se puede decir que la “Química Verde” consiste en el desarrollo de nuevas metodologías y tecnologías dirigidas a modificar la naturaleza de los productos y procesos químicos3 a fin de reducir el riesgo que comportan tanto para el medioambiente como para la salud humana. En este sentido cabe indicar que la QV no debe confundirse con la Química Ambiental, ya que la primera se centra en las reacciones y procesos que se llevan a cabo en la industria química e industrias afines y la última estudia el comportamiento de los compuestos químicos (naturales o sintéticos) en el medioambiente.
La filosofía inherente en la Química Verde se basa en el diseño necesario para la fabricación de un producto manufacturado. En este, el estudio económico sobre la viabilidad del proceso o procesos implicados conlleva, entre otras consideraciones, la evaluación del coste de las materias primas y de los procedimientos que se deben aplicar para tratar los residuos que acarrea su producción. Si se considera que cuanto más peligrosos son los desechos, mayor es el coste para disponer de ellos de una forma adecuada, se hace necesario tomar decisiones que se traduzcan en acciones que sirvan para prevenir dichos gastos. Una forma de hacer esto posible en beneficio de consumidores, productores y del medioambiente es considerar metodologías y tecnologías que minimicen el riesgo, i.e. “metodologías verdes o amigables tanto para el ser humano como para el medioambiente”.
Desde este orden de ideas se construyen los doce principios de la Química Verde mostrados de forma muy esquemática en la Figura 3, que se desarrollan a continuación.
PRINCIPIO 1: PREVENCIÓN
Siempre es preferible evitar la generación de desechos o residuos que tratarlos o limpiarlos una vez generados.
Bajo estas premisas, el empleo de tecnologías menos contaminantes permitirá a las empresas químicas mitigar los efectos ambientales asociados a su actividad. Este principio juega un papel importante en el enfoque económico circular de la Química ya que se han desarrollado y promovido nuevos proyectos y tecnologías que han mejorado significativamente tanto la “eficiencia de los recursos” como la “reducción de la cantidad de residuos producidos” en las cadenas de valor de los sectores de mayor peso en nuestra economía, permitiéndoles reducir su huella de carbono [4,5].
PRINCIPIO 2: EFICIENCIA ATÓMICA (Economía Atómica)
Se hace necesario desarrollar nuevas metodologías que optimicen la incorporación de todos los materiales (reactivos) de un proceso en el producto final tomando como premisa el concepto de Economía Atómica. Dicho de otra forma, los métodos sintéticos deben maximizar la incorporación de cada material utilizado en el proceso.
El concepto de Economía atómica [6,7] es aplicable a las reacciones, o procesos sintéticos de varias etapas, que incorporan todos los átomos de los reactivos en un único producto de reacción. Permite comparar las relaciones reactivo/ producto/residuos, de dos o más rutas de reacción para un mismo producto químico, a fin de establecer un criterio acerca de la sostenibilidad de la reacción, considerando tanto su viabilidad económica como medioambiental, especialmente tomando en cuenta que tal y como hemos visto en el enunciado del primer principio, la Química verde plantea la necesidad de minimizar los residuos o desechos, lo que se traduce en una optimización del uso de los reactivos.
La premisa fundamental de la Economía atómica plantea que un proceso químico, debe ser diseñado optimizando la incorporación de todos los átomos de los reactivos en un único producto, llevando al mínimo (idealmente a cero) los residuos generados lo que favorece también al principio 1.
Una consecuencia natural del concepto de Economía atómica es la “selectividad atómica” [8],con la cual se puede establecer la relación entre la masa del producto de reacción deseado y la de los reactivos.
Un ejemplo muy interesante aplicación del concepto de economía y selectividad atómica en un proceso productivo, en este caso a escala industrial, se puede observar en la síntesis del ibuprofeno. El ibuprofeno, es un analgésico y antiinflamatorio no esteroideo de uso común. Tiene una ruta de síntesis desarrollada originalmente por la Compañía Boots PLC de Nottingham (Inglaterra), que fue la primera en patentar la síntesis del ibuprofeno en la década de los sesenta (E.U. Patente 3,385,886), y ha servido como método principal de síntesis durante muchos años.
Esta ruta sintética se basa en reacciones orgánicas clásicas con baja economía atómica, pues se desarrolla en seis etapas y además produce una cantidad elevada de residuos.
La CorporaciónHoechst Celanese Corporation (Somerville, New Jersey); conocida ahora como Corporación Celanese), diseñó un procedimiento alternativo que, presentaba grandes ventajas al tener tanto una excelente economía como selectividad atómica, reduciendo además los residuos de reacción. La nueva ruta sintética se desarrollaba en tres pasos gracias a la utilización de reacciones catalíticas homogéneas [9,10]
PRINCIPIO 3: SÍTESIS SEGURA
En aquellos casos en los que sea posible, se deben diseñar sustancias químicas con baja o nula toxicidad, tanto para la salud humana como para el medioambiente.
Se han descrito en bibliografía ejemplos de modificación de reacciones de síntesis cambiando un reactivo en las que se ha cambiado uno de los reactivos que han sido modificadas para utilizar reactivos con poca toxicidad. Un ejemplo conocido es el fosgeno, gas incoloro, no inflamable, que huele a heno recién cortado. Es una sustancia química manufacturada y entre sus aplicaciones industriales cabe comentar su uso en la fabricación de tinturas, plaguicidas e incluso medicamentos [11], como reactivos alternativos se han propuesto el difenilcarbonato para la síntesis de policarbonato o incluso el CO2.
PRINCIPIO 4: PRODUCTOS SEGUROS
En la planificación y diseño de un producto químico se deben incorporar criterios de eficiencia y baja peligrosidad.
En el diseño de productos químicos a la evaluación de su desempeño se deben unir la evaluación de su impacto potencial en la salud humana y el medioambiente, ya que son claves para la sostenibilidad de los mismos.
Un ejemplo de la aplicación de este principio lo podemos encontrar en la sustitución del óxido de tributilestaño, producto con propiedades antiadherentes que se ha venido utilizando en pinturas de barcos para evitar la incrustación de organismos en sus cascos.
Este compuesto presenta una vida media en el agua de mar superior a seis meses, su capacidad de bioconcentración4 es alta y causa toxicidad crónica, lo que afecta mucho a la vida marina.
El compuesto seleccionado para su substitución ha sido Sea-Nine™ 211 (4,5-dicloro-2-N-octil-4-isotiazolin-3-ona). Este compuesto no provoca toxicidad crónica, sufre una rápida biodegradación para generar productos no tóxicos y su capacidad de bioconcentración es baja. Sus desarrolladores, Rohm y Haas ganaron el premio a los Retos de la Química Verde en 1996.
PRINCIPIO 5: DISOLVENTES SEGUROS
El uso de disolventes, agentes de separación o, en general, sustancias auxiliares del proceso de producción de un producto químico, debe ser reducido al máximo o reemplazado por sustancias inocuas a la salud humana y al medioambiente.
Los disolventes son importantes no solo en las reacciones de síntesis orgánica, como medio de reacción, sino también como elementos esenciales en los procesos de purificación. No obstante, muchos de ellos presentan riesgos para la salud humana y el medioambiente en especial cuando presentan una volatilidad baja. Entre los disolventes tradicionales que presentan estas características se pueden citar acetona, etanol, metanol, isopropanol, hexano, ácido acético o acetato de etilo [12]
Hoy día se conocen reacciones que se llevan a cabo sin disolventes y se ha visto incrementada la apuesta por disolventes alternativos como el agua, los líquidos iónicos5, los fluidos supercríticos6, como el CO2, los disolventes biodegradables o incluso algunos biodisolventes7.
Un ejemplo de la utilización del CO2 supercrítico es en el proceso de obtención de café descafeinado. El descafeinado del café es un proceso de extracción de la cafeína de forma selectiva para eliminarla del producto original. En el proceso se rocían los granos de café con dióxido de carbono a una alta presión. En ese sentido, se lleva al CO2 a un estado supercrítico.
Las pérdidas de materia prima son muy leves e insignificantes. A la vez que se elimina la cafeína, el proceso protege de la oxidación y previene olores y gustos indeseables, provocando una mejora de las propiedades organolépticas de la bebida.
PRINCIPIO 6: EFICIENCIA ENERGÉTICA
Se debe analizar y, si es posible, reducir el consumo de energía empleada en la producción, especialmente tomando en cuenta el impacto sobre el medioambiente. Siempre son preferibles procesos a bajas presiones y temperaturas, así como el uso de fuentes de energía alternativas.
Las metodologías sintéticas desarrolladas con el fin de satisfacer este principio se basan en el calentamiento del medio de reacción en muy poco tiempo a través del usode microondas, infrarrojo y ultrasonido, fuentes de energía que redundan en una disminución del tiempo de reacción en comparación con las síntesis originales no modificadas [13]
PRINCIPIO 7: MATERIAS PRIMAS RENOVABLES
Las materias primas deben ser preferiblemente renovables en vez de agotables. Siempre y cuando sean técnica y económicamente viables.
En relación con este principio cabe comentar por ejemplo la utilización de la biomasa para la elaboración de combustibles para el transporte. La biomasa se puede definir como cualquier sustancia orgánica que proviene del mundo animal, del vegetal o de los microorganismos que se puede utilizar para producir nuevos productos manufacturados y se presenta como la materia prima renovable casi exclusiva para la producción de nuevos materiales, disolventes y biocombustibles. En términos generales las materias primas renovables más empleadas se derivan de diversas cadenas de valor, como por ejemplo los carbohidratos (biomasa lignocelulósica), lípidos (preferentemente aceites vegetales y grasas) y biopolímeros [14, 15, 16].
PRINCIPIO 8: EVITAR DERIVADOS
Siempre que sea posible se debe evitar en los procesos de producción la formación de derivados (grupos de bloqueo, de protección/desprotección, modificaciones fisicoquímicas, …), ya que su uso se traduce en un incremento de las etapas de producción y, por consiguiente, en la generación de residuos y en el consumo energético.
Los grupos protectores se utilizan comúnmente en la síntesis química porque pueden proteger ciertas secciones de la estructura de una molécula para que no cambien durante una reacción química mientras permiten que otras partes de la estructura experimenten transformaciones.
Estas etapas, por otro lado, necesitan reactivos químicos adicionales y aumentan la cantidad de residuos. El uso de enzimas como sustituto se ha investigado en varios procedimientos, ya que convenientemente seleccionadas, y gracias a su alta selectividad, las enzimas pueden dirigirse a ciertas secciones de la estructura de una molécula sin el uso de grupos protectores u otros derivados.
PRINCIPIO 9: CATALIZADORES
Se debe priorizar el uso de catalizadores frente al uso estequiométrico de sustancias químicas.
Un catalizador es una sustancia que produce un aumento en la velocidad con la que una reacción química alcanza el equilibrio, con la particularidad de no consumirse en dicha reacción.
Así el efecto de un catalizador es “puramente cinético” ya que su misión es acelerar una reacción química que está favorecida termodinámicamente” o que cumple con el criterio de espontaneidad.
Desde el punto de vista de la Química Verde, un aspecto importante cuando se habla del uso de catalizadores es la selectividad, o capacidad que presenta un catalizador para orientar la reacción hacia la producción de un producto deseado, lo, dentro de todas las posibilidades.
Entre los catalizadores más útiles empleados por la QV se encuentran las enzimas (Biocatálisis), ya que:
- tienen una muy alta selectividad, lo que reduce los desechos generados;
- pueden actuar en compuestos específicos, aunque estén en una mezcla, lo que reduce el requerimiento de separaciones cromatográficas o de otro tipo, y
- requieren condiciones suaves de reacción en comparación con métodos sintéticos tradicionales, lo que también disminuye los requerimientos energéticos.
El área de la Biocatálisis en medios no acuosos se ha extendido mucho, por ejemplo, utilizando líquidos iónicos, o CO2 supercrítico.
Como se puede apreciar, este principio de la Química Verde se encuentra interconectado con otros principios especialmente con los principios 1, 2, 3 y 5 ya comentados anteriormente.
PRINCIPIO 10: BIODEGRADABILIDAD
Los productos químicos deben ser diseñados de modo que, al finalizar su tiempo de vida útil, no persistan en el medioambiente y, en todo caso, solo generen productos de degradación inocuos.
De acuerdo con este principio, en el diseño de la funcionalidad de un producto debe incluirse su facilidad y rapidez de degradación ya que los productos químicos no siempre se degradan totalmente hasta CO2, agua y sales inorgánicas. Adicionalmente, si la entrada al medio es mayor que su degradación, quedará una cierta cantidad presente y el compuesto será pseudo-persistente.
Por otro lado, no hay que olvidar que los productos que resisten la biodegradación permanecen disponibles a la biota para ejercer su acción tóxica, no siempre de forma conocida o predecible, i.e. son persistentes. De todos ellos, los compuestos químicos que se bioacumulan son de mayor preocupación porque los niveles de concentración que se consideran sin riesgo desde el criterio de una toxicidad aguda, pueden resultar en una toxicidad crónica. Bajo estas breves consideraciones, el tratamiento de los efluentes que contienen los productos no biodegradables y que pueden llegar al medioambiente puede mejorarse con un diseño molecular responsable.
La biodegradabilidad de un compuesto está en función, no sólo de su estructura, sino también de las condiciones de exposición, es decir, el tipo de condiciones presentes en el medioambiente, el tipo de tratamiento, las pruebas de laboratorio que la determinan, etc.
La Tabla 1 muestran algunas características moleculares que aumentan la resistencia a la biodegradación.
Como contrapartida, algunas características estructurales que aumentan la biodegradabilidad son los grupos lábiles a la hidrólisis enzimática (en especial los ésteres y las amidas) o, los átomos de oxígeno presentes en alcoholes, aldehídos, ácidos carboxílicos y algunas cetonas, exceptuando los éteres, las cadenas alquilo lineales y los grupos fenilo.
PRINCIPIO 11: ANÁLISIS EN TIEMPO REAL PARA PREVENIR LA CONTAMINACIÓN
Es necesario desarrollar metodologías analíticas a través de las cuales se pueda hacer un seguimiento de los procesos a fin de verificar y controlar la formación de sustancias químicas peligrosas.
La meta de la Química Analítica para la Química Verde (Química Analítica Verde) [17] es utilizar procedimientos analíticos que generen desechos menos peligrosos y que sean benignos al medio ambiente sin afectar la generación de resultados con rapidez, eficiencia y eficacia. Esto puede lograrse desarrollando nuevos métodos analíticos o modificando los viejos para incorporar procedimientos que permitan lograr las metas.
PRINCIPIO 12: PREVENCIÓN DE ACCIDENTES
En la selección de las sustancias químicas a ser utilizadas en los procesos, se debe establecer un criterio que permita minimizar el riesgo de ocurrencia de accidentes químicos (explosiones, incendios, otros).
Para atender este principio no se puede olvidar que trabajar con productos químicos es intrínsecamente peligroso. Sin embargo, el riesgo puede reducirse si los peligros se manejan adecuadamente. Siempre que sea posible, debe minimizarse la exposición al peligro de los procesos y, cuando esto no sea factible, los procedimientos deben diseñarse para minimizar el riesgo.
3. Desde un punto de vista industrial, un proceso químico se define como un conjunto de operaciones (químicas y/o físicas) que persiguen la transformación de unas sustancias iniciales en productos finales diferentes. Para más detalle se puede consultar: Mans Teixidó, C., Cunill García, F., Costa López J., Mata Álvarez J., Cervera March y Esplugas Vidal, S. (1996). Curso de Ingeniería Química. Introducción a los procesos, las operaciones unitarias y los fenómenos de transporte. Editorial Reverté, Barcelona (España).
4. Capacidad de incrementar progresivamente la cantidad que se acumula en los tejidos de algún organismo vivo sin causarle daño. La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (US EPA) define el factor de bioconcentración como la relación de concentraciones de productos químicos entre un organismo y el agua de sus alrededores.
5. Los líquidos iónicos (abreviados como ILs de su nombre en inglés), son sales cuyo punto de fusión es bajo, lo que hace que sean líquidos a temperatura ambiente. Se diseñan con cationes orgánicos grandes como anillos imidazolio y piridinio, cadenas N, N’ alquilo que modifican su hidrofobicidad. No obstante, en algunos ámbitos su denominación de “disolventes verdes” resulta controvertida.
6. Un fluido supercrítico es cualquier sustancia que se encuentre en condiciones de presión y temperatura por encima de su punto crítico. A su vez, se entiende por punto crítico es la condición de un fluido en la que las densidades de sus fases líquida y vapor son iguales, o dicho de otra manera aquella situación en la que el volumen de la fase líquida de un fluido es igual s la masa de su fase vapor.
7. Los biodisolventes,son productos de origen vegetal totalmente biodegradables, como por ejemplo el bioetanol, Pueden ser obtenidos mediante procesos de fermentación, esterificación o mediante procesos enzimáticos. Se caracterizan por presentar baja toxicidad, ser inodoros y no contener compuestos orgánicos volátiles.