Las métricas de la química verde son métricas que miden aspectos de un proceso químico relacionados con los principios de la química verde . Estas métricas sirven para cuantificar la eficiencia o el desempeño ambiental de los procesos químicos y permiten medir los cambios en el desempeño. La motivación para usar métricas es la expectativa de que la cuantificación de las mejoras técnicas y ambientales puede hacer que los beneficios de las nuevas tecnologías sean más tangibles, perceptibles o comprensibles. Esto, a su vez, es probable que ayude a la comunicación de la investigación y, potencialmente, facilite la adopción más amplia de tecnologías de química verde en la industria.
Para un no-químico el método más atractivo de citar la mejora puede ser una disminución de X coste unitario por kilogramo de compuesto Y . Sin embargo, esto sería una simplificación excesiva; por ejemplo, no permitiría a un químico visualizar la mejora realizada o comprender los cambios en la toxicidad del material y los peligros del proceso. Para mejorar el rendimiento y aumentar la selectividad, los porcentajes simples son adecuados, pero este enfoque simplista puede no ser siempre apropiado. Por ejemplo, cuando un reactivo altamente pirofórico se reemplaza por uno benigno, es difícil asignar un valor numérico pero la mejora es obvia si todos los demás factores son similares. [1]
Se han formulado numerosas métricas a lo largo del tiempo y su idoneidad se ha discutido extensamente. Un problema general observado es que cuanto más precisa y universalmente aplicable es la métrica ideada, más compleja e inutilizable se vuelve. Una buena métrica debe estar claramente definida, ser simple, medible, objetiva en lugar de subjetiva y, en última instancia, debe impulsar el comportamiento deseado.
Métricas basadas en masa versus basadas en impacto
El propósito fundamental de las métricas es permitir comparaciones. Si hay varias formas económicamente viables de fabricar un producto, ¿cuál causa el menor daño ambiental (es decir, cuál es la más ecológica)? Las métricas que se han desarrollado para lograr ese propósito se dividen en dos grupos: las métricas basadas en la masa y las métricas basadas en el impacto.
Las métricas más simples se basan en la masa de materiales más que en su impacto. La economía de átomos, el factor E, el rendimiento, la eficiencia de la masa de reacción y la eficiencia de la masa efectiva son métricas que comparan la masa del producto deseado con la masa de desechos. No distinguen entre desechos más dañinos y menos dañinos. Un proceso que produce menos residuos puede parecer más ecológico que las alternativas según las métricas basadas en la masa, pero de hecho puede ser menos ecológico si los residuos producidos son particularmente dañinos para el medio ambiente. Esta seria limitación significa que las métricas basadas en masas no se pueden utilizar para determinar qué método sintético es más ecológico. [2] Sin embargo, las métricas basadas en masas tienen la gran ventaja de la simplicidad: pueden calcularse a partir de datos fácilmente disponibles con pocas suposiciones. Para las empresas que producen miles de productos, las métricas basadas en la masa pueden ser la única opción viable para monitorear las reducciones de daños ambientales en toda la empresa.
Por el contrario, las métricas basadas en el impacto, como las que se utilizan en la evaluación del ciclo de vida, evalúan el impacto ambiental y la masa, lo que las hace mucho más adecuadas para seleccionar la más ecológica de varias opciones o rutas sintéticas. Algunos de ellos, como los relacionados con la acidificación, el agotamiento del ozono y el agotamiento de los recursos, son tan fáciles de calcular como las métricas basadas en la masa, pero requieren datos de emisiones que pueden no estar fácilmente disponibles. Otros, como los de toxicidad por inhalación, toxicidad por ingestión y diversas formas de eco-toxicidad acuática, son más complejos de calcular además de requerir datos de emisiones. [3]
Economía del átomo
La economía atómica fue diseñada por Barry Trost como un marco por el cual los químicos orgánicos buscarían una química "más verde". [4] [5] El número de economía del átomo es la cantidad de reactivos que quedan en el producto final.
Para una reacción genérica de varias etapas utilizada para producir R:
- A + B → P + X
- P + C → Q + Y
- Q + D → R + Z
La economía del átomo se calcula mediante
El principio de conservación de la masa dicta que la masa total de los reactivos es la misma que la masa total de los productos. En el ejemplo anterior, la suma de las masas moleculares de A, B, C y D debe ser igual a la de R, X, Y y Z. Como solo R es el producto útil, los átomos de X, Y y Z se dicen para ser desperdiciado como subproductos. Los costos económicos y ambientales de la eliminación de estos desechos hacen que una reacción con bajo consumo de átomos sea "menos verde".
Una versión más simplificada de esto es la economía del carbono . Es la cantidad de carbono que termina en el producto útil en comparación con la cantidad de carbono que se utilizó para crear el producto.
Esta métrica es una buena simplificación para su uso en la industria farmacéutica, ya que tiene en cuenta la estequiometría de reactivos y productos. Además, esta métrica es de interés para la industria farmacéutica, donde el desarrollo de esqueletos de carbono es clave para su trabajo.
El cálculo de la economía del átomo es una representación muy simple del "verdor" de una reacción, ya que puede llevarse a cabo sin la necesidad de resultados experimentales. Sin embargo, puede ser útil en el diseño de la etapa inicial de síntesis de procesos.
El inconveniente de este tipo de análisis es que se deben hacer suposiciones. En un proceso químico ideal, la cantidad de materias primas o reactivos es igual a la cantidad de todos los productos generados y no se pierde ningún átomo. Sin embargo, en la mayoría de los procesos, algunos de los átomos de reactivos consumidos no pasan a formar parte de los productos, sino que permanecen como reactivos sin reaccionar o se pierden en algunas reacciones secundarias. Además, los disolventes y la energía utilizados para la reacción se ignoran en este cálculo, pero pueden tener impactos no despreciables en el medio ambiente.
Rendimiento porcentual
El porcentaje de rendimiento se calcula dividiendo la cantidad del producto deseado obtenido por el rendimiento teórico. [6] En un proceso químico, la reacción suele ser reversible, por lo que los reactivos no se convierten completamente en productos; algunos reactivos también se pierden por reacciones secundarias no deseadas. [7] [8] Para evaluar estas pérdidas de productos químicos, el rendimiento real debe medirse experimentalmente.
Dado que el rendimiento porcentual se ve afectado por el equilibrio químico , permitir que uno o más reactivos estén en gran exceso puede aumentar el rendimiento. Sin embargo, esto no puede considerarse como un método "más ecológico", ya que implica que una mayor cantidad del reactivo en exceso permanece sin reaccionar y por lo tanto se desperdicia. Para evaluar el uso de reactivos en exceso, se puede calcular el factor de reactivo en exceso .
Si este valor es mucho mayor que 1, entonces el exceso de reactivos puede ser un gran desperdicio de productos químicos y costos. Esto puede ser una preocupación cuando las materias primas tienen altos costos económicos o ambientales en la extracción.
Además, el aumento de la temperatura también puede aumentar el rendimiento de algunas reacciones endotérmicas , pero a expensas de consumir más energía. Por lo tanto, estos pueden no ser métodos atractivos también.
Eficiencia de la masa de reacción
La eficiencia de la masa de reacción es el porcentaje de la masa real del producto deseado con respecto a la masa de todos los reactivos utilizados. Tiene en cuenta tanto la economía del átomo como el rendimiento químico.
La eficiencia de la masa de reacción, junto con todas las métricas mencionadas anteriormente, muestra el "verdor" de una reacción pero no de un proceso. Ninguna métrica tiene en cuenta todos los residuos producidos. Por ejemplo, estas métricas podrían presentar una reordenación como "muy ecológica", pero no abordan los problemas de solvente, preparación y energía que hacen que el proceso sea menos atractivo.
Eficiencia de masa efectiva
Una métrica similar a la eficiencia de la masa de reacción es la eficiencia de la masa efectiva , como sugirieron Hudlicky et al . [9] Se define como el porcentaje de la masa del producto deseado en relación con la masa de todos los reactivos no benignos utilizados en su síntesis. Los reactivos aquí pueden incluir cualquier reactivo, disolvente o catalizador usado.
Tenga en cuenta que cuando la mayoría de los reactivos son benignos, la eficiencia de masa efectiva puede ser superior al 100%. Esta métrica requiere una definición más detallada de sustancia benigna. Hudlicky lo define como “aquellos subproductos, reactivos o solventes que no tienen ningún riesgo ambiental asociado, por ejemplo, agua, solución salina de baja concentración, etanol diluido, masa celular esterilizada en autoclave, etc.”. Esta definición deja la métrica abierta a la crítica, ya que nada es absolutamente benigno (que es un término subjetivo), e incluso las sustancias enumeradas en la definición tienen algún impacto ambiental asociado a ellas. La fórmula tampoco aborda el nivel de toxicidad asociado con un proceso. Hasta que todos los datos de toxicología estén disponibles para todos los productos químicos y se escriba en la fórmula un término que se refiera a estos niveles de reactivos "benignos", la eficiencia de masa efectiva no es la mejor métrica para la química.
Factor medioambiental
La primera métrica general para la química verde sigue siendo una de las más flexibles y populares. El factor ambiental de Roger A. Sheldon ( factor E) se puede hacer tan complejo y completo o tan simple como se desee y sea útil. [10]
El factor E de un proceso es la relación entre la masa de residuos por masa de producto:
Como ejemplos, Sheldon calculó los factores E de varias industrias:
Sector industrial | Producción anual (t) | Factor E | Residuos producidos (t) |
---|---|---|---|
Refinación de petróleo | 10 6 - 10 8 | California. 0,1 | 10 5 - 10 7 |
Productos químicos a granel | 10 4 - 10 6 | <1 - 5 | 10 4 - 5 × 10 6 |
Productos químicos finos | 10 2 - 10 4 | 5 - 50 | 5 × 10 2 - 5 × 10 5 |
Productos farmacéuticos | 10 - 10 3 | 25 - 100 | 2,5 × 10 2 - 10 5 |
Destaca los residuos producidos en el proceso en contraposición a la reacción, ayudando así a quienes intentan cumplir uno de los doce principios de la química verde a evitar la producción de residuos. Los factores E ignoran los factores reciclables como los solventes reciclados y los catalizadores reutilizados, lo que obviamente aumenta la precisión pero ignora la energía involucrada en la recuperación (estos a menudo se incluyen teóricamente asumiendo una recuperación del solvente del 90%). La principal dificultad con los factores E es la necesidad de definir los límites del sistema, por ejemplo, qué etapas de la producción o del ciclo de vida del producto se deben considerar antes de poder realizar los cálculos.
Fundamentalmente, esta métrica es simple de aplicar industrialmente, ya que una instalación de producción puede medir cuánto material ingresa al sitio y cuánto sale como producto y desperdicio, lo que proporciona directamente un factor E global preciso para el sitio. La tabla anterior muestra que las compañías petroleras producen muchos menos desechos que los productos farmacéuticos como porcentaje del material procesado. Esto refleja el hecho de que los márgenes de beneficio de la industria petrolera les exigen minimizar el desperdicio y encontrar usos para productos que normalmente se descartarían como desperdicio. Por el contrario, el sector farmacéutico se centra más en la fabricación y la calidad de moléculas. Los (actualmente) altos márgenes de beneficio dentro del sector significan que hay menos preocupación por las cantidades comparativamente grandes de residuos que se producen (especialmente teniendo en cuenta los volúmenes utilizados) aunque hay que señalar que, a pesar de que el porcentaje de residuos y el factor E son alto, la sección farmacéutica produce un tonelaje de residuos mucho menor que cualquier otro sector. Esta tabla alentó a varias grandes empresas farmacéuticas a iniciar programas de química "ecológica".
Al incorporar rendimiento, estequiometría y uso de solventes, el factor E es una métrica excelente. Fundamentalmente, los factores E se pueden combinar para evaluar reacciones de varios pasos paso a paso o en un cálculo.
La EcoScale
La métrica EcoScale se propuso en un artículo en el Beilstein Journal of Organic Chemistry en 2006 para evaluar la efectividad de una reacción sintética. [11] Se caracteriza por su sencillez y aplicabilidad general. Al igual que la escala basada en el rendimiento, EcoScale otorga una puntuación de 0 a 100, pero también tiene en cuenta los aspectos de costo, seguridad, configuración técnica, energía y purificación. Se obtiene asignando un valor de 100 a una reacción ideal definida como "El compuesto A (sustrato) experimenta una reacción con (o en presencia de) compuesto (s) económico (s) B para dar el compuesto C deseado con un rendimiento del 100% a temperatura ambiente. temperatura con un riesgo mínimo para el operador y un impacto mínimo en el medio ambiente ", y luego restando puntos de penalización por condiciones no ideales. Estos puntos de penalización tienen en cuenta tanto las ventajas como las desventajas de reactivos, configuraciones y tecnologías específicas.
Gráficos de BioLogicTool
Los gráficos de BioLogicTool fueron propuestos en un artículo de Lie Y. et al en 2019. [12] Esta herramienta disponible gratuitamente ofrece una representación visual de una ruta química a partir de datos agregados por el usuario (material de partida, intermedios y nombres de productos, su fórmula química , masas molares y eventualmente rendimientos de las etapas de reacción). Las parcelas, así como las dos puntuaciones dadas, fueron diseñadas para ayudar a evaluar la racionalidad de una ruta química con especial énfasis en la comparación de rutas de base biológica con rutas de gasolina.
El porcentaje en masa de heteroátomos contenidos en el material de partida, los intermedios y el producto final se representa frente a sus respectivas masas molares. La representación visual de las rutas químicas estudiadas viene con dos puntuaciones, a saber, la longitud total y la puntuación de BioLogictool. Después de la normalización de los datos, la Longitud total se calcula sumando la longitud individual de todos los vectores graficados (comenzando desde el material de partida y el acabado hasta los productos intermedios / productos). La puntuación de BioLogicTool se obtiene luego de la división de la Longitud total por la longitud de un vector directo hipotético comenzando desde la materia prima original (A en el ejemplo) y terminando hasta el producto (D). Cuanto más cerca de 1 esté la puntuación de Biologictool y menor sea la Longitud total, más racional será la ruta química.
Referencias
- ^ Lapkin, Alexei y Constable, David (2008), Métricas de química verde. Medición y seguimiento de procesos sostenibles , Wiley
- ^ Mercer, Sean (2012). "Elegir la síntesis más verde: un ejercicio de química verde de métrica multivariante". J. Chem. Educ . 89 (2): 215. doi : 10.1021 / ed200249v .
- ^ Guinea, Jeroen (2002). Manual de evaluación del ciclo de vida . Saltador. ISBN 978-1-4020-0228-1.
- ^ Trost, Barry M. (1991). "Economía del átomo: una búsqueda de la eficiencia sintética". Ciencia . 254 (5037): 1471–1477. Código Bibliográfico : 1991Sci ... 254.1471T . doi : 10.1126 / science.1962206 . PMID 1962206 .
- ^ Trost, Barry M. (1995). "Economía del átomo - un desafío para la síntesis orgánica: la catálisis homogénea abre el camino". Angewandte Chemie International Edition . 34 (3): 259–281. doi : 10.1002 / anie.199502591 .
- ^ Vogel, AI, Tatchell, AR, Furnis, BS, Hannaford, AJ y PWG Smith. Libro de texto de Vogel's de química orgánica práctica, quinta edición . Prentice Hall, 1996. ISBN 978-0-582-46236-6 .
- ^ Whitten, KW, Gailey, KD y Davis, RE General Chemistry , cuarta edición. Saunders College Publishing, 1992. ISBN 978-0-03-072373-5 . p.95
- ^ Petrucci, Ralph H .; Harwood, William S .; Arenque, F. Geoffrey (2002). Química general: principios y aplicaciones modernas (8ª ed.). Upper Saddle River, Nueva Jersey: Prentice Hall. pag. 125 . ISBN 978-0-13-014329-7. LCCN 2001032331 . OCLC 46872308 .
- ^ Hudlicky, Tomas (1996). "Restricciones de diseño en síntesis prácticas de moléculas complejas: estado actual, estudios de caso con carbohidratos y alcaloides y perspectivas futuras". Sociedad Química Estadounidense . PMID 11848742 .
- ^ Sheldon, RA (2007). "El factor E: quince años después". Química verde . 9 (12): 1273. doi : 10.1039 / B713736M .
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