Autores:

ERWIN IBAÑEZ,

JOHANNA CHAMBI

Recurso web: https://www.youtube.com/watch?v=MqrbFdJChzM&t=27s

Los daños ocasionados por plagas agrícolas y las prácticas tendientes a prevenir su aparición o mitigar sus efectos, son casi tan antiguos como la propia agricultura. Sin duda, las plagas aparecen como un problema de difícil solución. La preocupación es aún mayor si se consideran las diversas situaciones de hambruna con las que se han relacionado a lo largo de la historia de la humanidad, a lo que se suman las pérdidas que generan en los cultivos y productos almacenados: actualmente se estima que un 40 % del suministro mundial de alimentos se pierde debido a las plagas. (1) Sigue leyendo →

Autoras: 

Gudiel, Hellyn & Florez, Cynthia

Esta situación probablemente le parecerá familiar: Imagínese usted trabajando en el laboratorio, pesando y midiendo todos los compuestos para la reacción que va a llevar a cabo. El agitador magnético empieza a girar y la luz de su cocina eléctrica se enciende, dando inicio a su reacción. Ahora usted toma asiento y procede a preguntarse qué va a hacer durante las próximas 2 horas.

Algunas reacciones pueden prolongarse más de 24 horas, causando un gran desperdicio de tiempo y energía. Es por ello que la química verde trató de buscar formas alternativas de proporcionar energía a las reacciones, de manera más rápida y eficaz, disminuyendo a su vez su impacto ambiental. Aquí presentaremos dos de estos métodos, que analizaremos a continuación: Sigue leyendo →

Autores: ERWIN IBAÑEZ, JOHANNA CHAMBI

La preocupación y el interés por la conservación del medio ambiente es una constante, desde la década de 1990, Paul Anastas elaboró los 12 principios básicos que rigen la química verde adoptándose en los campos específicos de la química.

Primeras semillas de la química analítica verde

La concientización debido a la necesidad de desarrollar metodologías sostenibles, con el fin de ahorrar solventes y reactivos, así como reemplazar solventes más tóxicos por otros inocuos o los menos tóxicos estuvo presente entre los químicos analíticos debido al riesgo inherente de algunos tipos de muestras, reactivos y solventes utilizados, el consumo de energía, instrumentación más moderna, sin duda, residuos de laboratorio producidos y emisiones provenientes de las numerosas etapas de las metodologías analíticas.

¿Qué busca la química analítica verde?
La química analítica verde desarrolla optimiza y aplica metodologías procedimientos de medida destinados a obtener información química de la materia o sistemas de naturaleza variada, procurando que durante la planificación y ejecución experimental se eliminen o se reduzcan los riesgos para la salud, contaminación o uso indebido.

Métodos analíticos limpios
Procedimiento directo, no destructivo y sin reactivos que requiere energía mínima, es rápido y capaz de analizar varios analítos en una sola corrida, pero no todos los analítos pueden determinarse simultáneamente o de una muestra no tratada. Es importante evaluar todos los aspectos que afectan su sostenibilidad y que pueden mejorarse sin afectar sus características analíticas básicas.
la preparación de las muestras suele ser la parte más contaminante, ya que técnicas como la extracción o la mineralización a menudo consumen energía y requieren el uso de varios disolventes no verdes. Por eso, el enfoque más ecológico sería utilizar métodos analíticos directos, en los que todo el paso de la preparación de la muestra es insignificante. Sin embargo, en muchos casos, el aislamiento y la pre concentración de analítos son inevitables y no se puede realizar un análisis directo. Por lo tanto, se debe poner énfasis en la automatización y miniaturización del proceso, así como en el uso de los compuestos menos nocivos y técnicas novedosas que requieren cantidades mucho menores de solvente orgánico.

Metodología analítica

Los Métodos clásicos, se basaban en propiedades químicas del analito. La precisión depende del analista. Se incluyen las gravimetrías, las volumetrías y los métodos de análisis cualitativo clásico.

Titulaciones: método manual depende del analista y su agudeza visual

Desventajas

• grandes volúmenes de muestra y reactivo
• toxicidad de reactivo
• grandes volúmenes de desecho

Mejora del carácter verde:

• posibilidad de miniaturizar y automatizar
• reemplazo de indicadores visuales por detección mediante electrodos

Los Métodos instrumentales, basados en propiedades químico-físicas. La clasificación de los métodos instrumentales se realiza en base a la propiedad que se mide (espectroscópicos, electro analíticos, térmicos). La precisión depende del analista así como del instrumento, son más rápidos y sensibles.

Cromatografía líquida

Desventajas

• Uso de solventes orgánicos
• Gran volumen de desechos orgánicos

Mejora del carácter verde:

• Elegir técnicas de fase reversa ya que emplea agua y otros componentes hidrófilos a diferencia la fase normal.
• Reducir la longitud de la columna. (otros métodos como UPLC columnas cortas tiempos cortos)
• Elusión isocrática sobre gradiente de solvente.

Principales prioridades para implementar la ecologización de los métodos analíticos.

• Reducción del uso de sustancias químicas
• mayor la seguridad del operador.
• disminución del consumo de energía
• gestión adecuada de residuos

Conclusiones

En este blog concluimos la importancia del uso de métodos de química analítica verde ya que es una estrategia tanto ecológica como económicamente beneficiosa. El desarrollo de nuevos métodos de preparación de muestras más ecológicos, el reemplazo de reactivos por alternativas de baja toxicidad, la miniaturización o automatización son solo algunas de las muchas formas de mejorar el proceso analítico, si bien los métodos instrumentales tienen un avance considerable respecto a los métodos clásicos ambos están en continuo desarrollo por lo que cada vez se busca mejorar el carácter verde.

Referencias

1. Justyna P., Magdalena F., Kaja k. And Jacek N. History and milestones of green analytical chemistry springer nature singapore pte ltd. 2019
2. Tobiszewski, M., Mechlińska, A., Namieśnik, j. (2010). Green analytical chemistry—theory and practice. Chemical society reviews, 39(8), 2869. Doi:10.1039/b926439f
3. María A. Dosal, Mercedes G. Llano el papel de la química analítica en las Ciencias ambientales the role of analytical chemistry in environmental sciences. Universidad nacional autónoma de México (UNAM) avances en ciencias e ingeniería.: 5(3), 103-108 (julio/septiembre, 2014)

Autoras: Gudiel, Hellyn & Florez, Cynthia

¿Qué razones tenemos para pensar que la utilización de solventes alternativos cumple con todos los requisitos para ser un solvente verde?, decir que cumplen con la factibilidad al reciclado, baja toxicidad, eficiencia en la separación del producto, y bajo consumo energético para su síntesis es lo que iremos descubriendo en esta presentación.

Sigue leyendo →

Autores:

• Bellatin A., Luciano
• Meza Y., Raúl
• Salazar C., Franz

Introducción

La demanda por tecnologías verdes apremia debido a las preocupaciones ambientales. Los líquidos iónicos, llamados disolventes verdes, pueden utilizarse para una variedad de aplicaciones debido a sus propiedades físicas y químicas únicas, como su muy baja presión de vapor, su capacidad de reciclaje y bajo impacto sobre el medio ambiente. Sin embargo surge la pregunta: ¿es sostenible?; esto es, ¿el “verdor” de su producción supera o es equiparable al de sus aplicaciones?

Síntesis del tema

Líquidos iónicos y sus aplicaciones

Los líquidos iónicos son sales con puntos de fusión por debajo de los 100 °C, constituidos típicamente por cationes orgánicos grandes y asimétricos, asociados a aniones orgánicos e inorgánicos. Dentro de sus inusuales propiedades fisicoquímicas están la presión de vapor despreciable, alta estabilidad química y térmica, alto grado de solvatación para sustancias orgánicas, inorgánicas y poliméricas. Esto es aumentado por la variación de propiedades de acuerdo con la selección cuidadosa de iones. Dentro de sus aplicaciones más diversas están: solventes, medios de reacción, electrolitos, aditivos, síntesis orgánica, catálisis, procesos de extracción, electroquímica, nanotecnología, etc. (Dharaskar 2012; Chiappe et al. 2016).

Algunas aplicaciones adicionales y más específicas son: desulfuración de combustible líquido, ya que la aplicación de condiciones de proceso muy suaves (baja presión y temperatura) es una ventaja adicional de este nuevo enfoque en comparación con hidrodesulfuración tradicional.  También pueden emplearse para la purificación de aceites esenciales mediante extracción, separación de mezclas azeotrópicas, en la purificación de hidrógeno, en la extracción de metales de tierras raras, en la extracción de los ácidos carboxílicos, para la eliminación de azufre de corrientes de refinería, en la separación de isómeros, etc. (Dharaskar. 2012).

Síntesis de líquidos iónicos

Se puede considerar que el primer líquido iónico preparado fue el nitrato de etilamonio en 1914. Es una neutralización ácido base entre ácido nítrico concentrado y etilamina, aunque tiene la gran desventaja de sufrir degradación a través de la desprotonación, por lo que su aplicación fue bastante limitada. De mayor aplicación son los siguientes cationes (McIntosh, 2016).

Figura 1: cationes encontrados en la mayoría de los líquidos iónicos. Imagen de McIntosh 2016.

Los métodos de obtención más comunes incluyen la alquilación del 1-metilimidazol. Tienen la ventaja de usar temperaturas moderadas, además del bajo costo del haloalcano empleado. Los flouroalcanos son muy poco reactivos, mientras que los yodoalcanos son tan reactivos que pueden ocurrir productos secundarios, además de la fotosensibilidad del yodo. Debido a esto se emplean los alcanos clorados o bromados en la reacción de adición. La alquilación también se puede producir sobre otras aminas como amidinas, trialquilaminas, pirrolidinas, piridinas, etc. El solvente en que se suelen realizar estas reacciones es acetato de etilo o tolueno (inmiscibles con el producto). Las impurezas que pueden presentarse son: compuestos orgánicos volátiles, impurezas de haluros por incompleta reacción, y otras impurezas iónicas. Se debería procurar eliminar las impurezas completamente con carbón activado o recristalización en acetonitrilo.

La síntesis puede ser asistida por microondas, alternativamente: se evita el uso del solvente, aunque si no es bien controlada, se produce la descomposición y la carbonización de los productos, resultando en productos secundarios. Esto es superable con calentamiento y agitación alternados (McIntosh, 2016).

Más recientemente, Nakahara et al. (2019) desarrollaron un proceso de síntesis para el cloruro de 1-butil-3-metilimidazolio mediante un microrreactor de flujo continuo; primero mediante el análisis de la velocidad de reacción; luego, mediante una simulación, fue diseñado con una mejor eficiencia (para evitar el ensayo y error). Según su modelo, la producción podría ser mejorada hasta en casi 40 veces.

Figura 2: (a) Fotografía del microrreactor de flujo continuo. (b) Diagrama de flujo. Imagen de Nakahara et al. 2019.

Notable también es el trabajo desarrollado por Chiappe et al. (2016), en el que, para la síntesis del cloruro de 1-butil-3-metilimidazolio, el producto sirve también como el solvente de la reacción. Esto asegura una elevada velocidad de reacción, junto con alto grado de pureza.

Limitaciones de los líquidos iónicos

Algunos líquidos iónicos contienen aniones con halógenos, como:

AlCl₄^–, PF₆^–, BF₄^–, CF₃SO₃^–, (CF₃SO₂)₂N^–

Que de alguna limitan su carácter verde. La presencia de átomos de halógeno puede causar problemas graves si la estabilidad a la hidrólisis del anión es pobre (por ejemplo, para [AlCl₄]^– y [PF₆]^–) o si se desea un tratamiento térmico de los líquidos iónicos usados (Dharaskar, 2012). En ambos casos se requiere un esfuerzo adicional para evitar la liberación de HF tóxico y corrosivo o HCl en el ambiente. Teniendo estos aspectos en mente, debe ser buscadas nuevas opciones de líquidos iónicos ‘más verdes’ para aplicaciones catalíticas industriales, que debe cumplir las siguientes propiedades deseadas:

1. Punto de fusión o punto vítreo por debajo de 40 °C.
2. Hidrólisis estable en solución acuosa neutra hasta 80 °C.

• Temperatura de descomposición térmica por encima de 250 °C.

1. Posible eliminación por combustión sin formación de HF o HCl.
2. Posible biodegradación del anión usado en el tratamiento de aguas residuales ordinaria.
3. Síntesis a partir de materias primas baratas, técnicamente disponibles, por ejemplo, sales de metales alcalinos.

Sin embargo, muchos sistemas no cumplen con todo lo anterior dada la compleja combinación de propiedades. La disponibilidad técnica y la toxicología bien documentada de los líquidos iónicos son esenciales para su aplicación industrial.

Los líquidos iónicos que contienen cloruro como anión son una buena alternativa como agente de desulfuración (tratamiento de residuos de la industria del petróleo): poseen elevada capacidad para eliminar los compuestos de azufre, son estables al aire, la temperatura y la humedad; y los halógenos libres pueden ser fácilmente regenerados y reciclados.

Conclusiones

Luego de mencionar síntesis de líquidos iónicos y sus aplicaciones, podemos preguntarnos lo siguiente: ¿Cuál es el costo-beneficio de utilizar LI?, si bien el beneficio va por el lado de la sostenibilidad en los procesos químicos, hay algunos casos como en la biorefinería celulósica donde utilizar LI aumenta los rendimientos de extracción de carbohidratos; sin embargo, sintetizar LI como 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate [C₂C₁im][OAc] es muy caro, lo que convierte en poco rentable su uso a grandes escalas; por esta razón en el 2014 en el Joint BioEnergy Institute, California, sintetizaron LI más económicos utilizando aminas alifáticas simples y de bajo costo (George, 2014).

Utilizar algunos LI como solventes de extracción puede resultar costoso por sus materias primas de síntesis; sin embargo, esta aseveración viene ligada al valor agregado del producto que se quiere extraer, de manera que si el producto genera grandes utilidades, promover su mayor producción, si bien costosa, será beneficiosa tanto económica como ambientalmente.

A medida que continúan las investigaciones y se desarrollan procesos más eficientes, el costo económico y medioambiental en la producción de líquidos iónicos irá disminuyendo, mientras sus aplicaciones irán en aumento.

Bibliografía

1. GEORGE, A. BRANDT, S. M. S. NIZAN, D. KLEIN-MARCUSCHAMER, R. PARTHASARATHI, N. SUN, N. SATHITSUKSANOH, J. SHI, V. STAVILA, K. TRAN, S. SINGH, B. HOLMES, T. WELTON, B.A. SIMMONS, J.P. HALLETT,

2014                “Design of low-cost ionic liquids for ligoncellulosic biomass pretreatment”. UK: Royal Society of Chemistry. Green Chemistry. Vol. 17. Págs. 1728-1734.

CHIAPPE, Cinzia; MEZZETTA, Andrea; POMELLI, Christian S.; PUCCINI, Monica; SEGGIANI, Maurizia

2016                “Product as Reaction Solvent: An Unconventional Approach for Ionic Liquid Synthesis”. Italy. Organic Process Research & Development. Vol. 20. Págs. 2080-2084.

MATEO, F.; DE LOS RÍOS, A. P.; HERNÁNDEZ, F. J.; LOZANO, L. J.; GINESTA, A.; SÁNCHEZ, S.; GODÍNEZ, C.

2008+              “Uso de líquidos iónicos basados en cationes imidazolio y amonio como disolventes verdes para la recuperación selectiva de Zn (II), Cd (II), Cu (II) y Fe (III) de soluciones acuosas hidrocloradas” Cartagena C (Murcia).

MCINTOSH, Alastair; GRIFFITH, Jeraime; GRÄSVIK, John

2016                “Methods of Synthesis and Purification of Ionic Liquids. Application, Purification and Recovery of Ionic Liquids”. Págs. 59-99.

DOI: 10.1016/B978-0-444-63713-0.00002-X

NAKAHARA, Yuichi; METTEN, Bert; TONOMURA, Osamu; NAGAKI, Aiichiro; HASEBE, Shinji; YOSHIDA, Jun-ichi

2019                “Modeling and Design of a Flow-Microreactor-Based Process for Synthesizing Ionic Liquids”. Organic Process Research & Development. Vol. 23. Págs. 641-647.

PASSOS Helena, FREIRE Mara G. y COUTINHO João

2014                “Ionic liquids solutions as extractive solvents of value-added compounds from biomass”. UK: Royal Society of Chemistry. Green Chemistry. Vol. 16. Págs. 4786-4815.

SWAPNIL, Dharaskar

2012                “Ionic Liquids (A Review): The Green Solvents for Petroleum and Hydrocarbon Industries” Research Journal of Chemical Sciences. Nagpur, India. Vol. 2, N° 8. Págs: 80-85.

Autores: Leslie Chuy Zárate / Milagros Robles Porras

Desde siempre la palabra “química” nos remonta a esa ciencia abstracta y compleja que es demasiado difícil de entender. Y es que la química siempre ha sido asociada a desastres, accidentes y catástrofes. Sin embargo, hoy por hoy, la química está revolucionando y renovando su imagen. De ser la ciencia marginada e incomprendida a ser la ciencia central o como dirían “la madre ciencia”.

La química está en todo, desde lo que comemos y vestimos hasta la tecnología que hoy manejamos. Es por eso la importancia de difundir dicha ciencia y cambiar el “chip” que se tiene de ella. La química debe evolucionar y buscar seguir aportando y facilitando la vida, pero con un enfoque medioambiental amigable.

Estamos viviendo la evolución de la química en el contexto de un desarrollo sostenible de nuestras sociedades. Sin embargo, este cambio es relativamente bajo respecto al acelerado consumo de los recursos naturales a nivel global, lo cual nos hace entender que el cambio es necesario. Para acelerar el desarrollo de este sistema es necesario proporcionar productos de diseño ecológico en el mercado, los cuales deben seguir ciertos criterios y recomendaciones desde que se inicia la investigación; el producto sostenible debe poseer ciertas características entre las que destacan la seguridad para el ser humano y el bajo impacto para el medio ambiente.

P. Marion, B. Bernela, A. Piccirilli, B. Estrine, N. Patouillard, J. Guilbot and F. Jerome, Green Chem., 2017, DOI: 10.1039/C7GC02006F

Figure: Few important criteria a sustainable product should fulfil

Para ahondarnos en el tema se requiere tener claro algunos conceptos, como son: química sostenible y química verde. La química sostenible es a menudo considerada sinónimo de la química verde “química ecológica”; sin embargo, existen diferencias de significado. El uso de tecnologías alternas o una nueva vía de reacción pueden definirse como verde, pero la sostenibilidad está abordando toda la cadena de valor de un producto que va desde el origen y el suministro de materias primas para el proceso de fabricación, el impacto social y ambiental y el fin de vida del producto.

La revolución de la química sostenible está teniendo lugar en muchos sectores industriales, por ejemplo, la introducción de materias primas renovables en la industria cosmética, la transición del acero a los polímeros, la sustitución de solventes clorados en la industria farmacéutica, entre otros.

Debemos considerar que el desarrollo e implementación de estos procesos y productos sostenibles pueden ser a partir de recursos ya sean de origen fósil o renovable (ej. biomasa, residuos, CO2).

La sostenibilidad implica satisfacer las necesidades de la actual generación sin perjuicio de las necesidades de las futuras generaciones.

Síntesis del tema

Son varios los factores que amenazan una química sostenible, pero sin duda la disminución de recursos y el aumento de residuos es uno de los más importantes. De acuerdo a datos estadísticos en el 2107 hemos tenido un consumo global de recursos de 88.6 mil millones de toneladas y se proyecta que para el 2050 esta cantidad aumentará a 184 mil millones de toneladas.

Es así que la Biomasa de residuos se ha convertido en una alternativa para la Tecnología de biorrefinería verde y productos químicos; sin embargo, es importante enfatizar que siendo renovable no garantiza ser del todo verde.

La biomasa no alimentaria incluye desechos agrícolas, desechos de procesamiento de alimentos, desechos sólidos municipales y lodos de aguas residuales, pero ¿Qué tanto se ha avanzado en el tema?

El desarrollo de este enfoque se está dando desde hace más de 10 años, “un grupo de investigadores chinos trabajan en la producción de biodiesel a base de algas”, por otro lado, existen “tratamientos electroquímicos microbianos que se utilizan para tratar los licores negros de biorrefinería y para fabricar productos químicos”, “producción alternativa de fenoles a partir de residuos de biomasa mediante despolimerización”.

Uno de los ejemplos más resaltantes, a nuestro criterio, es el PLA, proceso alternativo al plástico convencional (PET). El desarrollo de este polímero de ácido poliláctico (PLA) de base biológica, compostable y reciclable, utiliza 20 a 50% menos recursos de combustibles fósiles que los polímeros similares a base de petróleo. El PLA es completamente biodegradable o puede ser hidrolizado fácilmente en ácido láctico para reciclaje interno reduciendo los desechos.

Así mismo, cabe resaltar la aplicación de tecnologías químicas verdes para la valorización de bio-residuos, entre las cuales destacan la catálisis y la activación por microondas de biomasas.

Podemos aportar a la sociedad con el enfoque de una química sostenible, considerando que la generación de productos químicos derivados de las biomasas es una realidad. La escasez de recursos es gran amenaza para una sociedad estable y sostenible. Tenemos el privilegio de poder trabajar en alguno de estos problemas y la oportunidad de “hacer una diferencia”. Podemos convertir los flujos de desechos de ser amenazas ambientales, en recursos valiosos y podrían ser una gran diferencia en nuestra capacidad de proporcionar un futuro sostenible para nuestro planeta y para aquellos que viven en él.

No obstante, hay que considerar que uno de los obstáculos para la aparición de procesos a escala industrial es el costo de transporte de las biomasas y la baja densidad de las mismas, siendo necesario grandes volúmenes para producir cantidades similares a los producidos con aceite fósil.

Conclusiones

Queda claro que la química sostenible es ahora el medio principal para solucionar los problemas medioambientales que nos atañen, la cual no solo presenta un enfoque verde el cual cumple con los principios propuestos por Warner y Anastas, sino que también es coherente con el objetivo industrial que recae en la economía. Sin embargo, también queda claro que aquello no es nada sencillo de lograr. Desde hace muchos años, por ejemplo, el uso de materia prima renovable en procesos químicos ha sido de interés y se ha convertido en una estrategia para disminuir el impacto que la producción de sustancias derivadas de recursos fósiles ocasiona. Pero este nuevo sistema de producción no garantiza el establecimiento de una química sostenible. En algunos casos, sale más rentable aún producir sustancias de una fuente fósil que utilizar recursos de energía libre de carbono en su lugar.

Queda aún mucho camino por recorrer en la búsqueda de la solución más equilibrada, pero es importante reconocer que hemos comenzado, por ello, no pretendemos con esta entrada resaltar la química como la piedra filosofal de todos nuestros problemas, pero sí rescatar el aporte sustancial y necesario que se tiene gracias a un buen manejo y conocimiento de la química.  La intención recae en la difusión del contexto mundial y una llamada de atención para ponernos, de una buena vez, en marcha para poder rescatar el hogar que estamos destruyendo tan indolentemente. La química sostenible parte entonces de buscar mejorar procesos en la medida de lo posible, es decir, valorar el aporte por más pequeño que sea. “Un paso verde a la vez, asegura tener un hogar para la vejez”.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Marion, B. Bernela, A. Piccirilli, B. Estrine, N. Patouillard, J. Guilbot y F. Jerome

2017    “Sustainable chemistry: how to produce better and more from less?” Green Chem., 2017, DOI: 10.1039/C7GC02006F.

James H. Clark

2019    “Green biorefinery technologies based on waste biomass”. Green Chem., 2019, DOI: 10.1039/c9gc90021g.

Green Mountain Energy

2017    Renewable Energy 101: How Does Biomass Energy Work? [videograbación]. Texas: Youtube Consulta: 01 de Junio de 2019

https://youtu.be/nVl17JLn_u0

Federico Rosei y Renzo Rosei

2017    TED Ed. Can 100% renewable energy power the world? [videograbación]. New York: Youtube Consulta: 01 de Junio de 2019

https://youtu.be/RnvCbquYeIM

Autores:  Bellatin, L.; Meza, R.; Salazar, F.

Introducción

Es sabido que, en las últimas décadas, el rol de la química verde ha cobrado relevancia en el quehacer de la química en el laboratorio y la industria; pero, dentro de las técnicas desarrolladas para acercarnos a los doce principios enunciados por Anastas y Warner, pocas tuvieron tanta atención como la aplicación de la radiación microondas. ¿Están entendidos los mecanismos por los que lo consigue? ¿de qué manera hace más verde los procesos?, ¿tiene alguna limitación, o es la técnica definitiva? ¿cuál es su situación actual?

Síntesis del tema

El desarrollo de la química verde ha permitido innovar procesos más limpios y de menor impacto ambiental y para la salud. Los doce principios de la química verde, propuestos por Anastas y Warner en 1998, introdujeron un cambio radical en la mentalidad de quienes se dedican a la síntesis de sustancias químicas: la importancia de un proceso limpio es equiparable a la del rendimiento o eficiencia de este.

Desde la década de 1990 ha habido cambios sustanciales en los procesos para sintetizar sustancias en concordancia con los doce principios. Uno de ellos es la introducción de los equipos que emplean radiación microondas como fuente de energía. Si bien los primeros equipos para síntesis por microondas se asemejaban a los que se utilizan en los hogares, actualmente son más sofisticados (figura 1) y permiten trabajar con diversos volúmenes de muestras, inclusive en el rango de los mililitros (0,2 – 20 mL) [1] (figura 2).

Para más información acerca del funcionamiento del calentamiento en la síntesis por microondas, ver: “Conventional vs Microwave Heating”, disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=6zlOy8TRyuc.

Figuras 1 y 2: Sintetizador por microondas Biotage®. Imágenes obtenidas de: https://www.biotage.com/product-page/biotage-initiator.

Exploremos a continuación un par de ejemplos de síntesis asistidas por microondas:

• En 1908 comenzó la producción comercial de pectinas en Alemania. Las pectinas se encuentran en las mermeladas y derivados de frutas que se han elaborado desde hace siglos. Además, es un coloide por excelencia que tiene la propiedad de absorber una gran cantidad de agua y son utilizadas ampliamente en la industria de los alimentos como agentes gelificantes. El método convencional de extracción es engorroso: involucra lavados, hervido de cáscaras, secado en estufas, hidrólisis ácida a pH 2 y 60 °C, filtración y concentración por evaporación, y precipitación con etanol 96°. En 2016, en la universidad de Lisboa, Portugal; se extrajo pectina mediante un método innovador, utilizando solo agua como medio de dispersión y microondas como fuente de energía: “hidrodestilación por microondas” [2].
• El biodiesel tiene muchos méritos como recurso de energía renovable, ya que permite aliviar la dependencia de combustibles derivados del petróleo, y además tiene un perfil de emisiones de combustión más favorable. Una síntesis de biodiesel parte de un litro de aceite usado que debe mezclarse con metóxido de sodio (producido primero a partir de metanol e hidróxido de potasio en una reacción violenta), y ser calentado a 55 °C por una hora. En el departamento de ingeniería química de la universidad del Cairo – Egipto, se utilizó radiación microondas para sintetizar biodiesel (sin modificar el procedimiento convencional): se incrementó la velocidad de reacción (pasó de 150 minutos a 2 minutos), ya que no se requería un pretratamiento, y se facilitó el proceso de separación [3].

¿Cuáles principios de la química verde se evidencian en estos dos ejemplos?

Menores tiempos de reacción, incrementando la eficiencia en el uso de energía (principio 6) y empleo de solventes benignos (principio 5) [4].

Otras aplicaciones de la síntesis con microondas incluyen: intensificación de procesos aplicados a microrreactores catalíticos [5], esterificación con fines didácticos [6], polimerización de derivados del ácido acrílico [7], etc.

Para una explicación de la aplicación de la radiación microondas en la síntesis orgánica, ver: “Microwave Synthesis in Action”, disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=5E5OIMeVBTs.

 Pareciera entonces que la síntesis por microondas, dadas las ventajas mencionadas y el tiempo transcurrido desde su aparición, debería tener una presencia universal en los laboratorios de síntesis química. Se muestra a continuación una gráfica con el número de publicaciones respecto a la síntesis asistida por microondas (figura 3):

Figura 3: Publicaciones en síntesis asistida por microondas (1986-2017). En azul se muestra el número de artículos en siete revistas importantes. En rojo se muestra el número de publicaciones que reportan experimentos con un control adecuado y reactores dedicados (Imagen de Kappe, 2018 [8]).

La disminución en el número de publicaciones es evidente desde el año 2008. La presencia de los sintetizadores por microondas no se encuentra tan extendida como se pensó, a inicios del siglo XXI, que estarían.

¿Cuál es la razón más importante para esto?

La respuesta es, de cierta manera, obvia: su poca aplicabilidad a síntesis de gran escala, como síntesis industriales o incluso de volúmenes intermedios. A pesar de los grandes avances conseguidos en los últimos años, la naturaleza de la síntesis en batch imposibilita el rendimiento en cantidades industrialmente aceptables (mayores a las 100 toneladas por año). A esto se le suma la pérdida de una característica importante de la síntesis asistida por microondas: los perfiles de calentamiento y enfriamiento rápidos. Además, por razones de seguridad, no puede alcanzarse los mismos niveles de presión y temperaturas altos en reactores muy grandes [9].

Estas limitaciones no son difíciles de prever, por lo que cabe preguntarse: ¿vale la pena insistir con una tecnología que se sabe será inaplicable a una mayor escala (principal responsable de la contaminación)? ¿no podrían haberse invertido las últimas décadas en innovación y desarrollo de otras tecnologías?

 ¿Es la síntesis por microondas omnipotente, o es ya obsoleta?

Creemos que ninguna. Las falencias de la técnica son evidentes, pero no puede negarse la importancia que sigue teniendo, especialmente en la industria farmacéutica. Respecto a los principios de la química verde, la síntesis asistida por microondas ofrece ventajas que los métodos alternativos actuales, como la reacción por flujo continuo, no puede ofrecer (como el uso de agua como solvente y ahorro energético). Sigue la búsqueda de la tecnología más verde posible, tanto en la síntesis de laboratorio como en la síntesis industrial.

Referencias

[1]        Biotage. Biotage® Initiator+. Disponible en:

https://www.biotage.com/product-page/biotage-initiator. Consulta: 01 de mayo del 2019.

[2]        Fidalgo, Alexandra; et al. “Eco-Friendly Extraction of Pectin and Essential Oils from Orange and Lemon Peels” ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2016, 4(4), pp. 2243-2251.

[3]        Shakinaz A. El Sherbiny; et al. “Producion of biodiesel using the microwave technique” Journal of Advanced Research. 2010. 1, pp. 309-314.

[4]        Dallinger, Doris; Kappe, Oliver. “Microwave-Assisted Synthesis in Water as Solvent”. Chemical Reviews. 2007. 107 pp. 2563-2591.

[5]        Cecilia, R; et al. “Possibilities of process intensification using microwaves applied to catalytic microreactores” Chemical Engineering and Processing. 2007. 46 pp. 870-881.

[6]        Reilly, Maureen K.; et al. “Microwave-Assisted Esterification: A Discovery-Based Microscale Laboratory Experiment”. Journal of Chemical Education. 2014. 91 pp. 1706-1709.

[7]        Sinnwell, Sebastian; Ritter, Helmut. “Recent Advances in Microwave-Assisted Polymer Synthesis”. Australian Journal of Chemistry. 2007. 60 pp. 729-743.

[8]        Kappe, Oliver. “My Twenty Years in Microwave Chemistry: From Kitchen Ovens to Microwaves that aren’t Microwaves”. The Chemical Record. 2018. 18 pp. 1-26.

[9]        Morschhäuser, Roman; et al. “Microwave-assisted continuous flow synthesis on industrial scale”. Green Processing and Synthesis. 2012. 1 pp. 281-290.

Autores: Leslie Chuy Zárate y Milagros Robles Porras

Hechiceros, brujas y alquimistas son solo sinónimos de lo que ahora conocemos como químicos, y es que la química siempre ha sido la ciencia más buscada para facilitarnos la vida, para hacer dinero y/o para tener poder. En diversas industrias y dejando de lado el aspecto “mágico” que la química evoca, la química ha sido de mucha utilidad para reemplazar y mejorar materiales de uso diario, tal como menciona Laber-Warren (2010) en el artículo “Green Chemistry: Scientists Devise New “Benign by Design” Drugs, Paints, Pesticides and More” publicado en la revista Scientific American, “desde medias de seda por nylon hasta hieleras por refrigeradoras”, son algunas de las mejoras más prácticas que se han logrado gracias a la química, sin embargo, como dice el tío Ben, un gran poder conlleva una gran responsabilidad. Responsabilidad, concepto que nosotros como químicos hemos dejado de lado, y es que efectivamente hoy por hoy luego de noticias que nos bombardean por redes sobre miles de especies extintas, cambios climáticos y desastres naturales, recién tomamos conciencia de lo que realmente significa.

Sabías que en los 90 surgió la interrogante de, ¿por qué para la fabricación dependemos de sustancias peligrosas? Y dentro de las diversas repuestas se manifestó que quizás fue porque no se estaba capacitado para pensar sobre el impacto en la salud y el ambiente o simplemente porque no ocurrió que podría ser de otra manera. Es así que nace la filosofía de la química verde y dentro de las muchas innovaciones está, el desarrollo de pesticidas más selectivos (interrumpir ciclos de vida de insectos).

Actualmente los químicos tratan de inventar nuevas cosas evitando los subproductos peligrosos; sin embargo, hay algunos que piensan que para que se ponga en práctica deben generarse regulaciones que no solo prohíban el uso de productos tóxicos sino que también requiera que los fabricantes revelen datos de seguridad y sean los consumidores los que finalmente elijan. Por otro lado, están los químicos quienes creen que este cambio debe ser voluntario ya que se trata de un proceso de cambio que a la larga generará rentabilidad.

Síntesis del tema

Durante mucho tiempo los pesticidas son considerados efectivos para el control de plagas, como los insectos, microbios, roedores, algas, peces, plantas, etc. y muy a menudo utilizados en el sector agrícola, pero como la mayoría de compuestos sintéticos, estos pueden causar efectos tóxicos en otros organismos.

¡Y esto no es una fantasía! En Costa Rica se han reportado cambio de color del pelaje de los monos aulladores Alouatta palliata de completamente negro a amarillento. Los análisis de espectroscopía Raman indican que el cambio se debe a la producción de la forma sulfurada de melanina, denominada feomelanina.

Galván, I., Jorge I., Sánchez-Murillo F., Gutiérrez-Espeleta G. (2018). Photographs of mantled howler monkeys from Costa Rica. a: Adult with conventional coat pigmentation (credit: Ismael Galván). b: Adult photographed with acamera-trap with anomalous yellowish pigmentation in limbs and tail. .  [Figura]. Recuperado de  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1616504718302374

Si echamos un ojo, el hábitat de estos animales rodea cultivos intensos de piña, plátano y aceite de palma africana, donde se usan frecuentemente pesticidas que contienen azufre. La exposición al azufre ambiental puede aumentar la disponibilidad de sulfhidrilos en las células, lo que puede favorecer la síntesis de feomelanina en los melanocitos y explicar el cambio de pigmentación.

La compañía Rohm y Haas ha desarrollado una nueva familia de insecticidas más selectivos que los usados con frecuencia, estos se denominan: CONFIRM, INTREPID, y MACH 2.

Es importante recordar que los plaguicidas actúan suprimiendo algún mecanismo biológico importante del organismo al que va dirigido, entre los más conocidos están los organofosfatos y los carbamatos, cuya función es la inhibición de la enzima relacionada con la regulación de la transmisión nerviosa; y la rotenona, cuyos efectos se relacionan con la inhibición de una enzima encontrada en la cadena transportadora de electrones; por el contrario, las diacilhidrazinas consideradas aceleradores de la muda de los insectos (química verde) se utilizan para combatir una hormona esteroide, la 20-hidroxiecdisona (un ecdiesteroide), cuyo efecto interrumpe el proceso de muda de los insectos ocasionándoles la muerte.

“Rohm y Haas utilizan la tebufenocida en el insecticida CONFIRM, esta diacilhidrazina es selectiva para los insectos lepidópteros, es un plaguicida altamente selectivo, con una toxicidad mínima para los organismos a los que no va dirigido, incluidos los insectos no lepidópteros. En presencia de la tebufenocida, el proceso de muda comienza, pero en aquellos momentos del proceso en que los niveles de 20-hidroxiecdisona normalmente disminuirían, la tebufenocida permanece, se altera el proceso de muda y la alimentación no tiene lugar, dando como resultado la muerte. Rohm y Haas emplean la halofenozida, otra diacilhidrazina, en el insecticida MACH2, su modo de acción es similar al de la tebufenocida, sin embargo, se aplica a otros organismos, en concreto los gusanos del césped”.

Siguiendo la línea, se tiene la investigación de Romanelli, Virla, Duchowicz, Gaddi, Ruiz, Bennardi, del Valle y Autino (2010), en el cual proponen otra alternativa para sintetizar pesticidas a partir de derivados flavonoidicos; una síntesis simple, limpia, libre de solventes y con un catalizador reutilizable, como mencionan los autores. La alta selectividad y gran rendimiento con bajos tiempos de reacción hacen de este nuevo camino una muy buena alternativa para la protección de cultivos con bajo impacto. La química verde una vez más se incluye para obtener los mismos beneficios aminorando las consecuencias negativas que un proceso clásico conlleva.

Romanelli, G. (2010). Clean synthesis of flavone derivatives.  [Figura]. Recuperado de  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jf100073j

Consideramos que al igual que algunos colegas, la química verde debe tener apoyo político, es decir, que sea regulado para que tenga el impacto que amerita,  ya que si es voluntario no habría forma de regular el cambio que esta generaría. Respecto a los pesticidas, existen evidencias de algunos cambios en los procesos, sin embargo aún queda mucho que mejorar, por ejemplo el caso actual que enfrenta la biodiversidad de Costa Rica de los monos aulladores, cuyo cambio fenotípico se atribuye a la contaminación por pesticidas sulfurados, es tan solo alguno de los problemas que quedan por solucionar, por no mencionar el impacto que genera en la población de abejas, entre otros.

Si bien es cierto la química verde es “trending topic” ahora, es necesario dejar el romanticismo de lado y comenzar a analizar críticamente si es realmente cierto tanta belleza. ¿Hasta qué punto es viable el cambio de procesos clásicos a verdes en el contexto industrial en el cual nos desenvolvemos? ¿Son los procesos verdes realmente verdes? Y por último, ¿qué debemos considerar como químicos para que estos procesos sean los nuevos “procesos clásicos” que las industrias adopten?

Creemos que aún nos falta mucho camino por recorrer, pero queda la esperanza de que en un futuro no tan lejano la química verde deje de ser conocida como verde y sea llamada solo “química”. Como dice Paul Anastas, “We’re all in the same boat, and we only have one boat”.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

GALVÁN, Ismael, Alberto Jorge, Francisco Sánchez-Murillo y Gustavo Gutiérrez-Espeleta

2019    “A recent shift in the pigmentation phenotype of a wild Neotropical primate”. Mammalian Biology. Volumen 94, pp. 66-68. Consulta: 25 de marzo de 2019.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1616504718302374

LABER-WARREN, Emily

2010    “Green Chemistry: Scientists Devise New “Benign by Design” Drugs, Paints, Pesticides and More”. Scientific American. Consulta: 1 de abril de 2019.
https://www.scientificamerican.com/article/green-chemistry-benign-by-design/#checkout

ROMANELLI, Gustavo P., Eduardo G. Virla, Pablo R. Duchowicz, Ana L. Gaddi, Diego M. Ruiz, Daniel O. Bennardi, Erlinda del Valle Ortiz y Juan C. Autino

2010    “Sustainable Synthesis of Flavonoid Derivatives, QSAR Study and Insecticidal Activity against the Fall Armyworm, Spodoptera frugiperda(Lep.: Noctuidae)”. Journal of Agriculture and Food Chemistry. Volumen 58 (10), pp. 6290-6295. Consulta: 8 de abril de 2019.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jf100073j

WASILEWSKI, Joan. “Una nueva familia de Insecticidas químicos representada por CONFIRM, agente de control selectivo de orugas, y los agentes relacionados MACH 2 e INTREPID, ofrecen una alternativa “Verde” frente a los insecticidas convencionales más usados”. The University of Scranton. Consulta: 6 de abril de 2019
https://www.scranton.edu/faculty/cannm/green-chemistry/spanish/biochemistrymodule.shtml