Introducción a la Química Verde

Módulo Verde de Química General

Módulo Verde de Química Orgánica

Módulo Verde de Química Inorgánica

Módulo Verde de Bioquímica

Módulo Verde de Química Medioambiental

Módulo Verde de Química de Polímeros

Química Orgánica Avanzada

Módulo Verde de Toxicología Química

Módulo Verde de Química Industrial

La Química Verde en la Universidad de Scranton
 
 
 
 
 

Los fondos principales de este Proyecto provienen del Programa de Subvención Especial de la Fundación Camile y Henry Dreyfus. Igualmente está subvencionado por el Proyecto de Desarrollo en Materia Educativa de la Química Verde de la ACS/EPA y por la Universidad de Scranton.

Notas para los profesoresNotes to Instructors

Introducción a La Química Verde 
Michael C. Cann, Chemistry Department, University of Scranton
La versión en español ha sido realizada por los profesores Dña. Mª de la Concepción F. Ling Ling y D. Sebastián O. Pérez Báez, Departamento de Ingeniería de Procesos de la E.S.T.I.I., Universidad de Las Palmas de Gran Canaria, España. 

   A finales de la década de los 60 y principios de los 70 se le dió una gran importancia al medio ambiente, incluidas la creación de la Agencia de Protección Medioambiental (EPA) y la celebración del Primer Día de la Tierra, los cuales tuvieron lugar en 1970. A partir de entonces se han aprobado más de 100 leyes relacionadas con el medio ambiente, entre las cuales se incluyen las doce principales que se relacionan a continuación: 
 

• 1970 Acta del Aire Limpio. Regulaciones sobre las emisiones a la atmósfera. 
• 1972 Acta de Política Nacional Medioambiental. Incluye la revisión por parte de la EPA de los informes sobre el impacto medioambiental de los principales proyectos federales propuestos (autopistas, edificios, aeropuertos, parques y complejos militares). 
• 1972 Acta del Agua Limpia. Establece los programas de subvenciones para la construcción de plantas de tratamiento de aguas residuales y regula y aplica la ley sobre el vertido de contaminantes sobre las aguas de E.U. 
• 1972 Acta Federal de Insecticidas, Fungicidas y Rodenticidas. Dirige la distribución, venta y uso de estos plaguicidas. Todos los plaguicidas deben ser registrados (bajo licencia) por la EPA. 
• 1972 Acta sobre el Vertido en los Océanos. Regula la evacuación intencionada de materiales sobre las aguas oceánicas. 
• 1974 Acta del Agua Potable. Establece los patrones primarios de las aguas potables. 
• 1976 Acta sobre el Control de Sustancias Tóxicas. Obliga al análisis, regulación y protección de todos los productos químicos fabricados o importados por E.U. 
• 1976 Acta de la Conservación de los Recursos y de la Recuperación. Regula los residuos sólidos y peligrosos desde su producción hasta su vertido. 
• 1976 Acta de Investigación y Desarrollo sobre el Medioambiente. Autoriza todos los programas de investigación de la EPA.  
• 1980 Acta sobre la Respuesta, Compensación y Responsabilidad General del Medioambiente, más conocida como superfondo. Provee los reglamentos federales para la limpieza de lugares abandonados con residuos peligrosos, vertidos accidentales y otras descargas de contaminantes sobre el medioambiente. 
• Acta sobre el Plan de Emergencia y Actuación de la Comunidad. Obliga a las industrias a informar acerca de la emisión de contaminantes y anima a que las comunidades locales planifiquen un programa de emergencia en caso de emisiones químicas. 
• 1990 Acta de Prevención de la Contaminación. Busca la manera de prevenir la contaminación animando a que las empresas reduzcan la generación de contaminantes mediante cambios, económicamente efectivos, en la producción, operación y uso de materia prima. 

   Todas estas actas, excepto una, tratan sobre la contaminación una vez que se ha producido. Estas leyes se enfocan de manera general al tratamiento y reducción de la contaminación y se conocen como leyes de "disposición y control". En muchos casos estas leyes, que han sido aprobadas por el congreso de los E. U., establecen  los límites sobre la contaminación y las fechas para su consecucción, con pocas referencias a cerca de si la ciencia/tecnología podrán atender estas demanadas y los costes económicos que supondrán la aplicación de las mismas. El riesgo asociado con un producto químico tóxico está en función de su peligrosidad y exposición. La finalidad de estas leyes es la de controlar el riesgo tratando de prevenir la exposición a los productos tóxicos y peligrosos. Con mucha frecuencia, no se ha conseguido esta prevención a la exposición.

  Riesgo=f(Peligrosidad, Exposición)

   Aunque estas leyes han llegado a una buena consecución, en términos de mejorar nuestro medio ambiente, mediante el control de la exposición a sustancias peligrosas, todavía tenemos un largo camino que recorrer. Por ejemplo, bajo el Inventario de Sustancias Tóxicas Emitidas (TRI), que forma parte del Plan de Emergencia y de los Derechos Comunitatios al Conocimiento de las Leyes  (EPCRA), las empresas estan obligadas a emitir un informe a cerca del uso y/o liberación de ciertas sustancias peligrosas. En 1997, las industrias informaron de que 23.85 billones de libras de sustancias peligrosas fueron tratadas, recicladas, usadas para la producción de energía, traspasadas y/o liberadas al medio ambiente. Este Acta recoge sólo 650 sustancias de las 75,000 que actualmente se comercializan en los E.U., y el informe se solicitó solamente a aquellas compañías que fabricaban o procesaban más de 25,000 libras o que usaban más de 10,000 libras de las sustancias correspondientes a la lista. 
   Tradicionalmente, las Compañías han subestimado las regulaciones sobre el medio ambiente y las han considerado como una dificultad económica. Se estima que a las industrias de los E.U. les ha costado entre 100 y 150 millones de dólares al año, el cumplir con estas Reglamentaciones. Desde que la EPA se encarga de hacer cumplir y reforzar estas leyes, sus relaciones con la Industria es adversa y desconfiada. 
   Un nuevo paradigma para la EPA aparece en la última década, anunciada en parte por el Acta de Prevención de la contaminación de 1990 Pollution Prevention Act of 1990. Ésta es la primera y única enfocada a prevenir más que a la  típica de tratar y reparar. Actualmente, la EPA, en asociación con la Industria, están intentando encontrar métodos más flexibles y económicamente viables no sólo en las regulaciones ya existentes, sino también en prevenir la contaminación desde su origen. En 1991 la Química Verde se convirtió en un objeto formal de la EPA     (green chemistry at EPA).  La Química Verde o la Química beneficiosa para el medio ambiente se ocupa del diseño de productos o procesos químicos que reducen o eliminan el uso y producción de sustancias peligrosas. ¹ De esta manera, en vez de limitar el Riesgo mediante el control en la exposición de productos químicos peligrosos, la Química Verde intenta reducir, y preferentemente eliminar la Peligrosidad y así neutralizar la necesidad de controlar la Exposición. El punto clave está en que si no usamos ni producimos sustancias peligrosas, el Riesgo es nulo, y no tendremos que preocuparnos del tratamiento de dichas sustancias o de limitar nuestra exposición a las mismas.
   La Química Verde ha ido tomando posición en las áreas de investigación y desarrollo tanto en la Industria como en la Universidad. Cada año se celebran diversas Conferencias y reuniones (por ejemplo, La conferencia sobre la Química Verde  e Ingeniería Green Chemistry and Engineering Conference) enfocadas hacia la tecnología/química verdes. La revista Química Verde  Green Chemistry se empezó a editar en 1999 y recientemente se ha creado el Instituto de Química Verde Green Chemistry Institute, así mismo en 1995 se establecieron los Premios de La Presidencia a los Retos de la Química Verde

PREMIOS DE LA PRESIDENCIA A LOS RETOS DE  LA QUÍMICA VERDE

   Estos premios  Presidential Green Chemistry Challenge Awards fueron declarados en 1995 por la Administración del Presidente Clinton, convocándose los primeros en 1996. Suponen un reconocimiento a los logros más relevantes conseguidos en la Tecnología/Química Verde, y son los únicos premios a la Química otorgados a nivel de La Presidencia. Los nominados a estos premios deben demostrar que su trabajo ha logrado alguno o varios de los siguientes criterios:

• Hacer verde las condiciones de reacción en la síntesis tradicional (por ejemplo, sustituir un disolvente orgánico por agua, o no usar ninguno). 
• Hacer verde la síntesis que emplea una sustancia química tradicional (por ejemplo, una síntesis que utilice biomasa en vez de reservas petroquímicas, o el uso de un catalizador en vez de reactivos estequiométricos). 
• Sintetizar una nueva sustancia que sea menos tóxica, pero que a la vez posea las mismas propiedades que las de las que sustituye (por ejemplo, un nuevo plaguicida que sea tóxico sólo para los organismos a los que se aplica y que al biodegradarse produzca sustancias beneficiosas para el medio ambiente). 

• El concepto de la economía del átomo concept of atom economy de Barry Trost's, que se centra en los átomos utilizados y sobrantes en una reacción. 
• Una nueva síntesis del Ibuprofeno synthesis of ibuprofen que presenta el mejor historial en cuanto a la economía del átomo y la prevención de la contaminación. 
• Uso del dióxido de carbono residual como agente propelente para espuma de poliestireno waste carbon dioxide as a blowing agent (que a diferencia de los CFC no causan disminución de la capa de ozono) 
• Desarrollo de dispersantes para el  dióxido de carbono surfactan ts for carbon dioxide , que permite usar el CO₂ como disolvente (por ejemplo en la limpieza en seco) 
• Desarrollo del peróxido de hidrógeno como activador de la oxidación oxidant activators for hydrogen peroxide.  Ello permite, por ejemplo, sustituir los blanqueadores clorados (que afecta a la capa de ozono) en la industria del papel, por el peróxido de hidrógno. 
• Desarrollo de nuevos insecticidas new insecticides que sean más específicos para los organismos a los que van dirigidos. 

    Los Doce Principios de la Química Verde han sido desarrollados por Anastas y Warner, y nos ayudan a valorar cuán verde puede ser un producto químico, una reacción o un proceso.

     1. Es preferible evitar la producción de un residuo que tratar de limpiarlo una vez que se haya formado.

     2. Los métodos de síntesis deberán diseñarse de manera que incorporen al máximo, en el producto final, todos los materiales usados durante el proceso.

     3. 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. Los productos químicos deberán ser diseñados de manera que mantengan su eficacia a la vez que  reduzcan su toxicidad.

     5. Se evitará, en lo posible, el uso de sustancias auxiliares (disolventes, reactivos de separación, etc.) y en el caso de que se utilicen que sean lo más inocuo posible.

     6. 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 y presión ambientes.

     7. La materia prima ha de ser preferiblemente renovable en vez de agotable, siempre que sea técnica y económicamente viable.

     8. Se evitará en lo posible la formación de derivados (grupos de bloqueo, de protección/desprotección, modificación temporal de procesos físicos/químicos).

     9. Se emplearán catalizadores (lo más selectivos posible) en vez de reactivos estequiométricos.

     10. 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. 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. Se elegirán las sustancias empleadas en los procesos químicos de forma que se minimice el potencial de accidentes químicos, incluidas las emanaciones, explosiones e incendios.

EXPOSICIÓN DE LA QUÍMICA VERDE A LOS ALUMNOS

   En el año 2000, Daryle Busch, anterior Presidente de La Sociedad Americana de Química enunció "La Química Verde representa los pilares que mantendrán nuestro futuro sostenible. Es imprescindible enseñar el valor de la Química Verde a los químicos del mañana".

   Está claro que muchas industrias y universidades reconocen la importancia de la Química Verde. Sin embargo, muy poco de la misma ha sido incluida en el plan de estudios de la Química. Aunque nosotros we junto con otros² hemos realizado algunos intentos aislados de introducir la Química Verde en las aulas, tanto la EPA como la ACS reconocen la necesidad de hacer un esfuerzo concentrado y continuado de hacer verde el plan de estudios, de manera que los químicos del futuro hayan aprendido a "pensar en verde". El Proyecto de Desarrollo de Materia Educativa en la Química Verde de la EPA/ACS EPA/ACS Green Chemistry Educational Materials Development Project comenzó en el Seminario que tuvo lugar en octubre de 1998. La finalidad de este Proyecto es la de desarrollar los materiales que ayuden a inculcar la Química Verde en el Plan de Estudios. Los principales enfoques son  el desarrollo de una Bibliografía Comentada de la Química Verde  Annotated Bibliography of Green Chemistry, Experimentos en el Laboratorio de la Química Verde, Casos en el Mundo Real de la Química Verde, y cursos cortos sobre Química Verde. A cargo de los dos primeros proyectos están D. John Warner de la Univerisdad de Boston Mass, mientras que el tercero es llevado a cabo por los Sres. Michael Cann Michael Cann  y Marc Connelly de la Universidad de Scranton.

   El libro Casos en el Mundo Real de la Química Verde Real-World Cases in Green Chemistry fue publicado en marzo del 2000. Este libro, editado por la ACS, es un intento de recopilar y editar información sobre la Química Verde, de manera que los profesores de Química puedan utilizar esta información para "hacer verde" el plan de estudios de su centro. Cada caso corresponde a un premiado o nominado a Los Premios de La Presidencia a los Retos de la Química Vrede.

   Para poder realizar lo anterior, estamos desarrollando unos módulos de Química Verde con el fin de incluirlos en cursos específicos de Química. Estos módulos han sido realizados por los profesores que los imparten. La introducción a la Química Verde que está Vd. leyendo forman parte de los mismos.

CUESTIONES

1. ¿Qué tienen en común las once primeras leyes más importantes del medio ambiente? ¿En qué se diferencian con el Acta de Prevención de la Contaminación de 1990?

2. ¿Cuáles son los tres criterios a seguir para optar a Los Premios de La Presidencia a los Retos de la Química Verde?

3. Defina la Química Verde.

4. ¿Cuál de los Doce Principios de la Química Verde tiene como objetivo la economía del átomo?

5. ¿Qué es lo que se conoce como sustancia auxiliar, en una reacción química? Busque un ejemplo en las Prácticas de Laboratorio de Química Orgánica que haya realizado y escriba una lista de las sustancias auxiliares empleadas.

6. ¿Por qué son los catalizadores superiores a los reactivos estequiométricos? En su respuesta asegúrese de que explica los términos catálisis y estequiometría. 

7. ¿Qué es el Inventario de Sustancias Tóxicas Emitidas Toxic Release Inventory?

8. Considere un producto o proceso químico que conozca. Utilizando como guía Los Doce Principios de la Química Verde, invente formas para "hacer verde" el mismo.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. Anastas, Paul T., y Warner, John C. Teoría y práctica de la Química Verde, Oxford University Press, New York, 1998.

2. a) http://jchemed.chem.wisc.edu/Journal/Issues/1995/Nov/abs965.html
    b) Enseñando la Química Verde, Albert Matlack, Química Verde, 1999, 1
        (001), G19-G20

Por favor, para cualquier comentario, sugerencia o pregunta sobre los módulos, dirigirse a:
                  Michael C. Cann
                  Chemistry Depart ment
                  University of Scranton
                  Scranton, PA 18510
                  Phone: 570-941-7519
                 cannm1@uofs.edu