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Instituto Tecnológico de
Veracruz
Unidad de Investigación y
desarrollo en Alimentos
Laboratorio de Bioprocesos
Dr. Gerardo Valerio Alfaro
Química verde y
Sustentable
Materiales
sintéticos
Medicamentos
Alimentos
Energía
Cosméticos
Beneficios de la Química
Salud
Agricultura
Otros
Materiales
Vestido
plásticos
detergentes
Gas natural
Plaguicidas
vidrio
Agua
petróleo
Química y Esperanza de Vida
 Gracias a las aportaciones de la
QUÍMICA ha aumentado
espectacularmente
La esperanza de vida
 Edad de Bronce (1700-800 A de C):
18 años
 Finales del siglo XIX: 35 años
 Finales del siglo XX: 66 años
80 años en los países más
desarrollados
 La esperanza de vida se
incrementó en 5 años entre
2000 y 2015
¿COMO LA QUÍMICA NOS PUEDE AYUDAR
PARA ALCANZAR UNA
CIVILIZACIÓN SOSTENIBLE?
La (industria) Química nos proveé de
productos y servicios que mejoran nuestras vidas
 Suministro de Bienes
 Servicios y Energía
Pero
 Agotamiento de Recursos Naturales
 Cambio Global
 Perjuicios y Tóxicos en el Ambiente
 1961-1971- 80 millones de litros
 Afecciones:
 400 000 personas fueron muertas
o mutiladas
 500 000 nacimientos con
malformaciones congénitas,
leucemia ú de otros tipos de
cáncer
 3 millones de hectáreas y pueblos
El Agente naranja: en la guerra entre Camboya y
Laos
…La formación de células
cancerosas
El Agente naranja
Algunos incidentes muy conocidos
• El río Cuyahoga en Ohio muy
contaminado por sustancias
químicas produjeron incendios
Accidente similar en
China
Río Cuyahoga
1952 y 1969…
…Otros incendios fuertes
sucedieron en 1868 y 1936
7
 Diciembre 2-3 1984:
 La planta química de
pesticidas de Union Carbide
Bhopal, India, liberó 40 tons
de isocianato de metilo
 Murieron entre 2,500-5,000
personas
El peor desastre en
una planta química
Isocianato de metilo
Altamente tóxico!
 Seveso, Italia 10 de julio de 1976
 ICMESA (Industrie Chimiche Meda Societá
Azionaria)-
 Cosméticos y otros productos químicos:
 Explosión de una caldera: El incendio liberó
tetraclorodibenzodioxina (agente naranja)
 75 000 animales envenenados tuvieron que ser
sacrificados
 Cientos de personas sufrieron graves daños
cutáneos
Un Incendio en una fábrica de productos químicos
agrícolas
La región de Seveso fue inhabitable durante años.
 En 1991: Agricultura Nacional de Veracruz SA (Anaversa)
 Incendio en una fábrica de pesticidas y fertilizantes (paratión,
paraquat y pentaclorofeno) produjo dioxinas
 Muerte de animales y humanos a corto, mediano y largo plazo
 Más de 1600 personas han muerto de cáncer
Un Incendio similar al de Seveso ocurrió en México
Flixborough 1974 40 tons ciclohexano
liberadas en 1 min
(225°C, 10 atm)
El accidente de Flixborough – el peor
desastre del Reino Unido
1 Junio de 1974-Una explosión en una planta química en North Linconlshire,
England, Mató 28 personas y 36 heridos
¿Que sucede en nuestro país?
Pemex: ¡Basta de derrames!
Noticia - 6 enero, 2012-Nuevamente Veracruz, escenario de derrames petroleros y
destrucción ambiental. Pemex registra 1.33 percances por día, lo que coloca a
esta paraestatal como la responsable de la mayor cantidad de desastres
ambientales en México.
El derrame de petróleo crudo en El Polvorín, municipio de Coatzacoalcos, en Veracruz, pone una vez
más en evidencia que la paraestatal Petróleos Mexicanos ha sido ineficiente para atender los desastres
ambientales que dejan sus actividades y aumenta la incertidumbre sobre su capacidad para reaccionar
ante accidentes en aguas someras o incluso en aguas profundas, señaló Greenpeace.
Desde el 30 de octubre de 2011, Greenpeace observa los derrames de petróleo ocurridos en el territorio
mexicano, sean ocasionados o accidentales, y si Petróleos Mexicanos está tomando las medidas de atención,
limpieza y remediación.
Jueves 21 de Abril 2016
El número de fallecidos es de 32
6 cuerpos no identificados
Fuga de amoniaco en el Complejo
Cosoleacaque
•Guillermo Gutiérrez Arias
•Jueves 23 de marzo de 2017
•en Veracruz
Este Año!
13th Noviembre 2002
Derrames de petróleo en el Mundo
Accidente del buque petrolero Prestige y su posterior hundimiento, así como a
la marea negra que provocó y que afectó a 2000 kilómetros de costa española y
francesa.
El desastre del Prestige
PROBLEMA: Erradicación de plagas
1873: Ottmar Zeidler: sintetizó el DDT
1936: Paul Hermann Müller: descubre su fuerte acción insecticida:
Uso del DDT
Malaria, Fiebre
amarilla, Tifus y
otras infecciones
1962- Rachel Carson Bióloga (marina), zoóloga, escritora,
ambientalista, autora de Primavera silenciosa
Cuestiona:
 Concentración de DDT a través de la cadena alimenticia,
causando en pájaros la producción de huevos frágiles y su no
sobrevivencia
 En 1972: La EPA (EEUU) prohíbe uso del “DDT”: es altamente
tóxico, estable y persistente
 2006: OMS anuncia el uso del DDT para erradicar la malaria
en países subdesarrollados
Inicia la Era de la Conciencia Ambiental
1962- Rachel Carson
Contribuye:
 La celebración del Día de la Tierra
 Environmental Protection Agency (EPA): Legislación-Proteger la salud
humana y al medio ambiente: aire, agua, suelo, Especies en peligro
de extinción y Residuos peligrosos
 “Sin el libro de Rachel Carson, hoy seguramente no existiría
Greenpeace”.
Inicia Conciencia Ambiental
Leyes internacionales para
reducir los niveles de polución
 1987, (1989)-Protocolo de Montreal-Sustancias
que Agotan la Capa de Ozono.
 2001, (2004)-Convenio de Estocolmo-Contaminantes
Orgánicos Persistentes (COPs)
 1992-La Declaración de Río (CNUMAD)-
 La Cumbre de la tierra- EPA: Promover el desarrollo
sostenible
Paul Anastas John Warner
Surge la Química verde
 En 1991-Surge la Química verde
 La química verde:
 Establece los principios para reducir ó eliminar el uso ó la producción de
sustancias químicas dañinas requeridas en el diseño, manufactura y la aplicación
de productos químicos
El Reto Presidencial de la Química
Iniciativa presidencial que premia a Individuos, grupos y organizaciónes que
promuevan y desarrollen Tecnologías de la Química Verde
a key building block for the herbicide RoundUp
(glifosato)
El Reto Presidencial de la Química
Verdezyne of Carlsbad, Calif. is being recognized for
developing a yeast that produces a chemical used to
make high performance nylon 6,12 for hairbrushes
toothbrushes, adhesives, coatings, and automotive
and aviation oils.
La Promoción de la Química
verde
1997 Green Chemistry and Engineering Conference
2001 Journal of Chemical Education
1999 Journal “Green Chemistry”
Chemical & Engineering News
“La Química tiene un papel importante para alcanzar una
civilización sostenible en la tierra”
La Química Verde puede
reducir…
Materiales
Energía Riesgos
Toxicidad
Residuos
Impacto
ambiental
Costos
12 Principios de la Química Verde
1. Prevención de la Polución
Proceso
Químico
Viagra (Pfizer)
Cuantos átomos de los reactantes son
incorporados en el producto final y cuantos de
desechan?
Rendimiento de Reacción:
% Rendimiento = (Cantidad real de productos obtenidos) x 100
(Cantidad teórica de productos obtenibles)
Economía Atómica
% economía atómica= (Peso molecular del (los) productos esperados) x 100
(Peso molecular de todos los productos)
Medición de la eficiencia de las Reacciones
12 Principios de la Química Verde
2. Economía Atómica
C6H10O + H2O2 + NH3 C6H11NO + 2H2O
Eficiencia atómica = 29%
Eficiencia atómica = 75%; 95% Rend.
Proceso Verde de Caprolactama: Sumitomo
Some aspects of the vapor phase Beckmann rearrangement for the production of ε-caprolactam
Ichihashi and Kitamura, Catal.Today, 73, 23, 2002
3. Procesos Menos riesgosos y dañinos
12 Principios de la Química Verde
Green Chem., 2017.
 Condensación de Knoevenagel
 Sin disolvente
Vainillina Ácido barbitúrico
1. Prevención de la Polución
4. Productos químicos Nó tóxicos
12 Principios de la Química Verde
Cambiar los reactivos-Nuevas Rutas
4. Productos químicos Nó tóxicos
5. Evitar ó Minimizar el uso de substancias auxiliaries y solventes (ó
usar los más seguros (benignos)
6. Eficientar la energía para el Proceso
12 Principios de la Química Verde
La Clorofila Catalizó la síntesis de Tetra hidroquinolinas mediante luz Visible
La Luz es una Fuente limpia, interminable y renovable de energía barata y abundante
Experimento Luz Visible Clorofila I (0.16 mg) TEMPO (0.50 mmol) Rendimiento (%)
1 - - - No hubo Reacción
2 + - - Trazas
3 - + - Trazas
4 + + - 80% (97% en 48 h)
5 + + - 8% + N2 Sin O2
6 + + + Trazas
*Irradiación con una Lámpara fluorescente de 23 W.aCondiciones: 1 (0.50 mmol) y 2 (0.25 mmol) en DMF (1.0 mL), con agitación 36 h.
Chlorophyl l-Catalyzed Visible-Light-Mediated Synthesis of Tetra hydroquinolines from N,N-Dimethylanilines and Maleimides. J. Org. Chem.,
2017
No uso de disolventes:
 Reduce el uso de disolventes
 Reactivos sólidos, insolubles en disolventes orgánicos
Fase sólida:
La molienda de los reactivos mejora su dispersión, área de superficie, conduciendo
a mejora en la reactividad de los sustratos, en tiempos más cortos.
Los sólidos son más fáciles y seguros de manejar que líquidos y gases
12 Principios de la Química Verde
Mecanoquímica
/Triboquímica
6. Eficientar la energía para el Proceso
Energía renovables
 Fotoquímica: Luz solar: UV-Visible
 Electroquímica
12 Principios de la Química Verde
6. Eficientar la energía para el Proceso
Energías alternativas
 Microondas
 Ultrasonido
A microwave approach to the selective synthesis of v-laurolactam Conesa. Green Chem., 2007
Transposición
de Beckmann
7. Uso de Materias primas renovables
Reemplazar los químicos derivados del petróleo por los de
fuentes renovables
 Biomasa
 Residuos agroindustriales
12 Principios de la Química Verde
Biomasa
 Combustibles: bioetanol y biodiesel
 Materiales de partida y bloques de constucción:
 Sustancias bioactivas: Aislamiento de productos naturales de gran diversidad
estructural
YouYou Tu (1930-): Premio Nobel en Medicina en 2015
Aisló y determinó la estructura de Artemisinina para enfermedades como la
malaria
7. Uso de Materias primas renovables
Artemisinina
NO
SI
DDT
8. Reducir ó Evitar pasos innecesarios
12 Principios de la Química Verde
 6 pasos
 Uso de
muchos
reactivos
 EA = 40%
Síntesis de Boot de Ibuprofeno: (1960s)
 3 pasos
 99% conv.
 EA =100%
9. (Bio)Catálisis: Uso de enzimas
12 Principios de la Química Verde
Sistemas Biológicos = Microorganismos, Enzimas ó vegetales
10. Diseño de Productos (Bio)Degradables
11. Análisis en tiempo Real para prevenir la polución
12 Principios de la Química Verde
Polihidroxialcanoatos
(PHA’s)
Química Sustentable e Ideal:
 Simple.
 Segura.
 Alto Rendimiento y Selectividad.
 Energéticamente Eficiente.
 Reactivos y Materias Primas Renovables y
Reciclables.
12. Químicos más seguros
12 Principios de la Química Verde
Contribuciones de la Química a la
tecnología sustentable:
 Síntesis química vía multicomponentes
 Química del Edo Sólido/Mecanoquímica
 Biocatálisis y Biotransformaciones
Metodologías de Reacción:
Química Verde De Oximas y derivados
Las Oximas en la naturaleza
Huelen bien
Vol. 38 • March 2013 | Perfumer & Flavorist
Floral 3-Metil butil aldoxima
zarzaparrilla negra
“Cassis” oxima, nombre comercial:
Labienoxima, CAS# 81783-01-9)
“Buchu” oxima
 Antimicrobiano
4-Clorobenzaldehído oxima
 Anticancerígeno
Oxima de 6-oxoandrostandiona
 Antídoto
Pralidoxima
Sarín
Malation
profilácticos
Aplicaciones de las oximas
 Fragancias y aromas
Perillartina 2000:1
Sacarosa
 Edulcorante
 Bloque de construcción
de polímeros
Oxima de
vainillina Ester de la oxima de
vainillina
Aplicaciones de Oximas
Tradicionales Química verde
 Materias primas: Bases fuertes
 Solventes: Piridina, alcohol,
agua
 Temperaturas altas
 Desechos al ambiente no
fácilmente degradables
 Materias primas: Menos
agresivos
 Solventes: agua, etanol, líquidos
iónicos,
 Química Sin disolvente,
Mecanoquímica: temperaturas
moderadas, presión atmosférica
 Asistida por Microondas
 Asistida por ultrasonido
Obtención de oximas
Tradicionales Química verde
Materias primas:
Altamente reactivas, tóxicas
 Anhídridos o cloruros
de ácidos carboxílicos
 Piridina, benceno
 Temperaturas altas
 Desechos al ambiente
no fácilmente
degradables
 Asistida por Microondas
 Asistida por ultrasonido
 Uso de Líquidos iónicos ó
fluidos supercríticos
 Ó disolventes GRAS
 Biocatálisis
Obtención de Ésteres de oxima y nitrilos
Procesos ambientalmente
aceptables a
temperaturas moderadas
y a presión atmosférica
Síntesis Clásica de Oximas
y Derivados
Fragancias y aromas
Chem. Biodiversity 2016, 13, 531 – 538
Croat. Chem. Acta 2014, 87:2 153-160.
a) Molino planetario b) Molino de bolas
Síntesis Mecanoquímica de Oximas
“Son las reacciones químicas catalizadas por
Sistemas biológicos que tienen como característica
la de trabajar en condiciones suaves y exhiben alta
especificidad y selectividad”
Sistemas Biológicos = Microorganismos, Enzimas ó vegetales
Biotransformaciones
Biotransformaciones
 Temperaturas moderadas
 Presión atmosférica
 pH´s neutros
 Una enzima (o un sistema sencillo) Lipasas
 Reacciones de uno o dos pasos
 Procesos ambientalmente aceptables
 Nuevos procesos en Disolventes orgánicos,
iónicos, fluidos supercríticos o Sin Disolvente
 Aplicar microondas, ultrasonido
 Selectividad Quimio-, Regio- y Estereo
Ventajas
NO
Tóxicos
Biocatálisis =
Química verde
SI
O
Nu
C R1
O
Enz-
C
R1
Nu
Nu
:
:
CH2
-O
CH2
-O
CH-O
R
O
R
O
R
O
CH2
-OH
CH2
-O
CH-O R
O
R
O
O
H2
R
O
+
··
··
Enz-O-
Enz-O-
COMPLEJO
ACIL-ENZIMA
 En agua
 En Disolvente
orgánico
Klibanov J. Am. Chem. Soc., 1984
Tipos de reacción de las Lipasas
● ROH; Esterificación, Transesterificación
● R-SH, Tiotransesterificacción
● NH3, Amonólisis
● R-NH2, Aminólisis
● R-NH-NH2, Hidrazinólisis
● RR’-C=N-OH, Oximólisisximólisis
● Síntesis de Péptidos
O
H2
R
O
OH
+
Enz-O-
Nu:
 En Agua
Mecanismo de reacción de las Lipasas en Disolvente
Orgánico
O
O
H
R
+ N N
His
O
O
H
R
Asp
O
O
H
:
H
O
Ser
-
Ser-O
O
H
N N-H
His
Asp
O
O
H
N
O
H
N
O
H
R
O-
Intermedio tetraédrico
:
+
:
Hendidura
oxianiónica
O
R
H
N N
His
Ser-O
O
R
..
Asp
O
O
H
:
-
Complejo Acil-enzima
Ser-O
O
R
N N-H
His
Asp
O
O
H
N
O
H
N
O
H
R
O-
:
:
+
+ H-O-R
O-R
R
N N
His
Asp
O
O
H
:
H
Ser
-
O
O
O-R
R
O
O
H
R
H-O-R
Un éster
O
Un ácido
N N
His
Asp
O
O
H
: H
O
Ser
-
Enzima libre
Química Verde: Biocatálisis
Aldehído
Clorhidrato
de
hidroxilamina
Material de
soporte
Molienda
mecánica
50 min
Solvente
Acetato
de etilo
Ajuste de pH=7
Filtración
Extracción
liquido-liquido
Concentración
en rotavapor
Oxima de
aldehído
aromático
Separación
fase orgánica
Secado con
Na2SO4
Síntesis Mecanoquímica de
oximas de Aldehídos aromáticos
Acetato
de etilo
Agua
Aldehído Material de soporte
Extracción con acetato
de etilo Rendimiento
(%)
Extracción por ajuste de
pH Rendimiento (%)
Veratraldehído
Carbonato de sodio 61 72
Tetraborato de sodio 38 78
Amonio oxalato 44 74
Hexametilentetramina 69 78
Vainillina
Carbonato de sodio 21 80
Tetraborato de sodio 19 81
Amonio oxalato 55 84
Hexametilentetramina 14 85
4-Hidroxibenzaldehído
Carbonato de sodio 47 93
Tetraborato de sodio 41 87
Amonio oxalato 41 93
Hexametilentetramina 49 83
3-Nitrobenzaldehído
Carbonato de sodio 76 80
Tetraborato de sodio 19 76
Amonio oxalato 41 68
Hexametilentetramina 89 90
Oxima
Rendimiento
(%)
Oxima
Rendimiento
(%)
Vainillina 96
P-Hidroxi
benzaldehído
96
Veratraldehído 92
m-Nitro
benzaldehído
95
Anisaldehído 94
Citral 80
Oxima de vainillina
Ester de Oxima de vainillina
Obtención de fragancias, ésteres de oximas de
aldehídos aromáticos catalizada por CAL-B
CAL-B = Lipasa de Candida antarctica, Novozyme 435
Acilación de la oxima de vainillina catalizada por CAL-B a las 6,
24, 48 y 72 h a 40°C, mediante Espectrometría de RMN de 1H
Oxima
Lipasa
mallas
moleculares
Secado
a vacío
Acetato de vinilo
+
acetato de etilo
Agitación, 80°C
Filtración
Análisis mediante
•CCF
LIPASA
Atmósfera
N2
Producto:
Nitrilo
aromático
Acetilación-eliminación de las oximas de
aldehídos aromáticos catalizada por CAL-B
Reacción 80°C
3-NITROBENZONITRILO
Tiempo de
retención (min)
Espectro de masas pico 1
P.M P.B M+
3.18 148 102 149
Reacción 80°C
4-HIDROXIBENZALNITRILO
Tiempo de
retención (min)
Espectro de masas pico 2
P.M P.B M+
3.58 119 119 120
Reacción 80°C
VERATRONITRILO
Tiempo de
retención (min)
Espectro de masas pico 2
P.M P.B M+
4.83 163 163 164
Reacción 80°C
VAINILLANITRILO
Tiempo de
retención (min)
Espectro de masas pico 2
P.M P.B M+
4.2 149 134 150
CONCLUSIONES
Se demostró que es posible sintetizar oximas de aldehídos
aromáticos e hidroxilamina en fase solida utilizando
materiales de soporte inorgánicos de naturaleza básica,
con conversiones completas y altos rendimientos.
Otros soportes que dieron conversiones completas fueron
arcillas ácida, básica, celita y urea.
La lipasa de Candida antarctica (Novozyme 435) catalizó la
acetilación de las oximas de los aldehídos aromáticos a
40°C, y la eliminación a 80°C con acetato de vinilo como
sustrato acilante y acetato de etilo como disolvente.
63
adendum
and?
• Until 2006 all the technologies nominated to the
PGCCA had eliminated the use or production
of:
• 1.2 billion pounds of chemicals and solvents per year
• Enough to fill 5000 train tanks or a 62 miles long
train
• 57 million pounds of CO2 has been reduced
• equivalent to take out circulation 37000 cars.
• 16 billion gallons of water per year have been
saved
www.epa.gov/greenchemistry/
Angela González, Ph.D. / UIA-SG
Detail in Miertus.pdf
New Way Chemistry for Hong Kong A-Level 3B
66
 La química verde se conoce como Química sustentable o sostenible
12 principios
Química Verde
Síntesis de Oximas
Síntesis:
Clásica
Química Verde
Reacciones:
Catalítica
Biocatalítica
Applications of Green Extrusion Technologydev_durable_anglais_CMYK
Cellulose pulping
Synthesis of chemical products and polymer materials (reactive extrusion)
Production of energetic materials
Biodegradable compounds,
Recycled plastics
Bio-sourced plastics
Biomass pre-treatment
Green Extrusion Technology contribute to Sustainable Development
Value creation through the optimization of bio-sourced and recyclable resources
Intensification of processes, generating water and energy savings and minimizing operating
costs
Improvement of operator’s working conditions, with up-to-date facilities and processes that
comply with the latest health and safety standards
Diversified business models, enabling end users to innovate and produce a wide range of
environmentally friendly products
The advantages of twin screw extrusion for chemical transformation
Acceleration of chemical kinetics according to reactions under the effect of temperature and
pressure
Intensified processing, thanks of to thorough mixing between chemical reagents allowing to
reduce mixing time and generating energy savings through efficient heat exchange
Containment of the reaction and the use of smaller quantities of products, leading to enhanced
safety conditions for operators and reduced environmental risk
Higher productivity compared to conventional batch processing
Effective Enzymatic
Caffeoylation of Natural
Glucopyranosides
Meso desymmetrization
Structure of CAL-B
CAL-B is a very versatile enzyme with catalytic triad (Ser105-His224-
Asp187) showing many excellent characteristics such as high
regioselectivity, enantioselectivity and stability in organic solvents.
CalBcatalyzed reactions have been used in the resolution of racemic
alcohols, amines, and acids, or in the preparation of optically pure
compounds (Anderson et al., 1998; Kirk and Christensen, 2002; Ohtani et
al., 1998; Uppenberg et al., 1994). CalB is also considered a robust
biocatalyst for the production of biodiesel (Ko¨se et al., 2002; Shimada et
al., 1999), and DD-polylactide for a bioplastic from lactide (Hans et al.,
2009) and glycerol carbonate that is a key multifunctional compound for
cosmetic solvents, monomers, and chemical intermediates
Insights into Caerulomycin A Biosynthesis: A Two-Component Monooxygenase CrmH-Catalyzed Oxime
Formation J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 18750−18753
Biosintesis de una Oxima
Una monooxigenasa de dos-componentes que cataliza la formación de la oxima
Caerulomicina A
Un antibiótico antifúngico bipiridílico
Tóxico a Entamoeba
Posibles actividades anticancerígena e inmunosupresora
La Química Orgánica trata con la Química de la Vida y los
compuestos del carbono de origen Natural y sintético
Al final del siglo pasado= Unos 15 millones de compuestos
Incremento anual: 600 mil
La Química está en todas partes
Enzymatic amine resolution under solvent-
free conditions at different temperatures
(analytical scale results) and under optimized
conditions on a 50 mmol-scale (preparative
scale results).
Enzymatic resolution of an amine under solvent-free conditions with diethyl malonate as
reagent for acylation Sustainable Chemistry and Pharmacy 5 (2017) 42–45
Biocatálisis: Aplicación de una lipasa comercial
Algunos perjuicios por el mal uso
1961- Agente Naranja (PCBs
y Dioxinas)
1962-DDT
1969- Río Cuyahoga
1974-Flixborough
1976-Seveso
1984- Bhopal
-Desastres en México
Medios de Reacción
alternativos/Sin disolvente
 Química del agua: Altas
temperaturas, subcrítica
 Líquidos iónicos
 fluorocarbonados
 Fluidos Supercríticos (CO2)
 Química sin Disolventes
Áreas de la Química Verde para Reacciones
Químicas Sustentables e Ideales :
 Reactivos verdes: carbonato de
dimetilo
 Reactivos y Catalizadores
soportados en polímeros
 Catalizadores: Evitar metales
pesados como: Ni, Pb.
 Enzimas: Lipasas, Levadura de
panificación
Materiales y Reactivos:

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  • 1. Instituto Tecnológico de Veracruz Unidad de Investigación y desarrollo en Alimentos Laboratorio de Bioprocesos Dr. Gerardo Valerio Alfaro Química verde y Sustentable
  • 2. Materiales sintéticos Medicamentos Alimentos Energía Cosméticos Beneficios de la Química Salud Agricultura Otros Materiales Vestido plásticos detergentes Gas natural Plaguicidas vidrio Agua petróleo
  • 3. Química y Esperanza de Vida  Gracias a las aportaciones de la QUÍMICA ha aumentado espectacularmente La esperanza de vida  Edad de Bronce (1700-800 A de C): 18 años  Finales del siglo XIX: 35 años  Finales del siglo XX: 66 años 80 años en los países más desarrollados  La esperanza de vida se incrementó en 5 años entre 2000 y 2015
  • 4. ¿COMO LA QUÍMICA NOS PUEDE AYUDAR PARA ALCANZAR UNA CIVILIZACIÓN SOSTENIBLE? La (industria) Química nos proveé de productos y servicios que mejoran nuestras vidas  Suministro de Bienes  Servicios y Energía Pero  Agotamiento de Recursos Naturales  Cambio Global  Perjuicios y Tóxicos en el Ambiente
  • 5.  1961-1971- 80 millones de litros  Afecciones:  400 000 personas fueron muertas o mutiladas  500 000 nacimientos con malformaciones congénitas, leucemia ú de otros tipos de cáncer  3 millones de hectáreas y pueblos El Agente naranja: en la guerra entre Camboya y Laos …La formación de células cancerosas El Agente naranja
  • 6. Algunos incidentes muy conocidos • El río Cuyahoga en Ohio muy contaminado por sustancias químicas produjeron incendios Accidente similar en China Río Cuyahoga 1952 y 1969… …Otros incendios fuertes sucedieron en 1868 y 1936
  • 7. 7  Diciembre 2-3 1984:  La planta química de pesticidas de Union Carbide Bhopal, India, liberó 40 tons de isocianato de metilo  Murieron entre 2,500-5,000 personas El peor desastre en una planta química Isocianato de metilo Altamente tóxico!
  • 8.  Seveso, Italia 10 de julio de 1976  ICMESA (Industrie Chimiche Meda Societá Azionaria)-  Cosméticos y otros productos químicos:  Explosión de una caldera: El incendio liberó tetraclorodibenzodioxina (agente naranja)  75 000 animales envenenados tuvieron que ser sacrificados  Cientos de personas sufrieron graves daños cutáneos Un Incendio en una fábrica de productos químicos agrícolas La región de Seveso fue inhabitable durante años.
  • 9.  En 1991: Agricultura Nacional de Veracruz SA (Anaversa)  Incendio en una fábrica de pesticidas y fertilizantes (paratión, paraquat y pentaclorofeno) produjo dioxinas  Muerte de animales y humanos a corto, mediano y largo plazo  Más de 1600 personas han muerto de cáncer Un Incendio similar al de Seveso ocurrió en México
  • 10. Flixborough 1974 40 tons ciclohexano liberadas en 1 min (225°C, 10 atm) El accidente de Flixborough – el peor desastre del Reino Unido 1 Junio de 1974-Una explosión en una planta química en North Linconlshire, England, Mató 28 personas y 36 heridos
  • 11. ¿Que sucede en nuestro país? Pemex: ¡Basta de derrames! Noticia - 6 enero, 2012-Nuevamente Veracruz, escenario de derrames petroleros y destrucción ambiental. Pemex registra 1.33 percances por día, lo que coloca a esta paraestatal como la responsable de la mayor cantidad de desastres ambientales en México. El derrame de petróleo crudo en El Polvorín, municipio de Coatzacoalcos, en Veracruz, pone una vez más en evidencia que la paraestatal Petróleos Mexicanos ha sido ineficiente para atender los desastres ambientales que dejan sus actividades y aumenta la incertidumbre sobre su capacidad para reaccionar ante accidentes en aguas someras o incluso en aguas profundas, señaló Greenpeace. Desde el 30 de octubre de 2011, Greenpeace observa los derrames de petróleo ocurridos en el territorio mexicano, sean ocasionados o accidentales, y si Petróleos Mexicanos está tomando las medidas de atención, limpieza y remediación.
  • 12. Jueves 21 de Abril 2016 El número de fallecidos es de 32 6 cuerpos no identificados Fuga de amoniaco en el Complejo Cosoleacaque •Guillermo Gutiérrez Arias •Jueves 23 de marzo de 2017 •en Veracruz Este Año!
  • 13. 13th Noviembre 2002 Derrames de petróleo en el Mundo Accidente del buque petrolero Prestige y su posterior hundimiento, así como a la marea negra que provocó y que afectó a 2000 kilómetros de costa española y francesa. El desastre del Prestige
  • 14. PROBLEMA: Erradicación de plagas 1873: Ottmar Zeidler: sintetizó el DDT 1936: Paul Hermann Müller: descubre su fuerte acción insecticida: Uso del DDT Malaria, Fiebre amarilla, Tifus y otras infecciones
  • 15. 1962- Rachel Carson Bióloga (marina), zoóloga, escritora, ambientalista, autora de Primavera silenciosa Cuestiona:  Concentración de DDT a través de la cadena alimenticia, causando en pájaros la producción de huevos frágiles y su no sobrevivencia  En 1972: La EPA (EEUU) prohíbe uso del “DDT”: es altamente tóxico, estable y persistente  2006: OMS anuncia el uso del DDT para erradicar la malaria en países subdesarrollados Inicia la Era de la Conciencia Ambiental
  • 16. 1962- Rachel Carson Contribuye:  La celebración del Día de la Tierra  Environmental Protection Agency (EPA): Legislación-Proteger la salud humana y al medio ambiente: aire, agua, suelo, Especies en peligro de extinción y Residuos peligrosos  “Sin el libro de Rachel Carson, hoy seguramente no existiría Greenpeace”. Inicia Conciencia Ambiental
  • 17. Leyes internacionales para reducir los niveles de polución  1987, (1989)-Protocolo de Montreal-Sustancias que Agotan la Capa de Ozono.  2001, (2004)-Convenio de Estocolmo-Contaminantes Orgánicos Persistentes (COPs)  1992-La Declaración de Río (CNUMAD)-  La Cumbre de la tierra- EPA: Promover el desarrollo sostenible
  • 18. Paul Anastas John Warner Surge la Química verde  En 1991-Surge la Química verde  La química verde:  Establece los principios para reducir ó eliminar el uso ó la producción de sustancias químicas dañinas requeridas en el diseño, manufactura y la aplicación de productos químicos
  • 19. El Reto Presidencial de la Química Iniciativa presidencial que premia a Individuos, grupos y organizaciónes que promuevan y desarrollen Tecnologías de la Química Verde a key building block for the herbicide RoundUp (glifosato)
  • 20. El Reto Presidencial de la Química Verdezyne of Carlsbad, Calif. is being recognized for developing a yeast that produces a chemical used to make high performance nylon 6,12 for hairbrushes toothbrushes, adhesives, coatings, and automotive and aviation oils.
  • 21. La Promoción de la Química verde 1997 Green Chemistry and Engineering Conference 2001 Journal of Chemical Education 1999 Journal “Green Chemistry” Chemical & Engineering News
  • 22. “La Química tiene un papel importante para alcanzar una civilización sostenible en la tierra” La Química Verde puede reducir… Materiales Energía Riesgos Toxicidad Residuos Impacto ambiental Costos
  • 23. 12 Principios de la Química Verde 1. Prevención de la Polución Proceso Químico Viagra (Pfizer)
  • 24. Cuantos átomos de los reactantes son incorporados en el producto final y cuantos de desechan? Rendimiento de Reacción: % Rendimiento = (Cantidad real de productos obtenidos) x 100 (Cantidad teórica de productos obtenibles) Economía Atómica % economía atómica= (Peso molecular del (los) productos esperados) x 100 (Peso molecular de todos los productos) Medición de la eficiencia de las Reacciones 12 Principios de la Química Verde 2. Economía Atómica
  • 25. C6H10O + H2O2 + NH3 C6H11NO + 2H2O Eficiencia atómica = 29% Eficiencia atómica = 75%; 95% Rend. Proceso Verde de Caprolactama: Sumitomo Some aspects of the vapor phase Beckmann rearrangement for the production of ε-caprolactam Ichihashi and Kitamura, Catal.Today, 73, 23, 2002
  • 26. 3. Procesos Menos riesgosos y dañinos 12 Principios de la Química Verde Green Chem., 2017.  Condensación de Knoevenagel  Sin disolvente Vainillina Ácido barbitúrico
  • 27. 1. Prevención de la Polución 4. Productos químicos Nó tóxicos 12 Principios de la Química Verde Cambiar los reactivos-Nuevas Rutas
  • 28. 4. Productos químicos Nó tóxicos 5. Evitar ó Minimizar el uso de substancias auxiliaries y solventes (ó usar los más seguros (benignos) 6. Eficientar la energía para el Proceso 12 Principios de la Química Verde La Clorofila Catalizó la síntesis de Tetra hidroquinolinas mediante luz Visible La Luz es una Fuente limpia, interminable y renovable de energía barata y abundante Experimento Luz Visible Clorofila I (0.16 mg) TEMPO (0.50 mmol) Rendimiento (%) 1 - - - No hubo Reacción 2 + - - Trazas 3 - + - Trazas 4 + + - 80% (97% en 48 h) 5 + + - 8% + N2 Sin O2 6 + + + Trazas *Irradiación con una Lámpara fluorescente de 23 W.aCondiciones: 1 (0.50 mmol) y 2 (0.25 mmol) en DMF (1.0 mL), con agitación 36 h. Chlorophyl l-Catalyzed Visible-Light-Mediated Synthesis of Tetra hydroquinolines from N,N-Dimethylanilines and Maleimides. J. Org. Chem., 2017
  • 29. No uso de disolventes:  Reduce el uso de disolventes  Reactivos sólidos, insolubles en disolventes orgánicos Fase sólida: La molienda de los reactivos mejora su dispersión, área de superficie, conduciendo a mejora en la reactividad de los sustratos, en tiempos más cortos. Los sólidos son más fáciles y seguros de manejar que líquidos y gases 12 Principios de la Química Verde Mecanoquímica /Triboquímica 6. Eficientar la energía para el Proceso
  • 30. Energía renovables  Fotoquímica: Luz solar: UV-Visible  Electroquímica 12 Principios de la Química Verde 6. Eficientar la energía para el Proceso Energías alternativas  Microondas  Ultrasonido A microwave approach to the selective synthesis of v-laurolactam Conesa. Green Chem., 2007 Transposición de Beckmann
  • 31. 7. Uso de Materias primas renovables Reemplazar los químicos derivados del petróleo por los de fuentes renovables  Biomasa  Residuos agroindustriales 12 Principios de la Química Verde
  • 32. Biomasa  Combustibles: bioetanol y biodiesel  Materiales de partida y bloques de constucción:  Sustancias bioactivas: Aislamiento de productos naturales de gran diversidad estructural YouYou Tu (1930-): Premio Nobel en Medicina en 2015 Aisló y determinó la estructura de Artemisinina para enfermedades como la malaria 7. Uso de Materias primas renovables Artemisinina NO SI DDT
  • 33. 8. Reducir ó Evitar pasos innecesarios 12 Principios de la Química Verde  6 pasos  Uso de muchos reactivos  EA = 40% Síntesis de Boot de Ibuprofeno: (1960s)  3 pasos  99% conv.  EA =100%
  • 34. 9. (Bio)Catálisis: Uso de enzimas 12 Principios de la Química Verde Sistemas Biológicos = Microorganismos, Enzimas ó vegetales
  • 35. 10. Diseño de Productos (Bio)Degradables 11. Análisis en tiempo Real para prevenir la polución 12 Principios de la Química Verde Polihidroxialcanoatos (PHA’s)
  • 36. Química Sustentable e Ideal:  Simple.  Segura.  Alto Rendimiento y Selectividad.  Energéticamente Eficiente.  Reactivos y Materias Primas Renovables y Reciclables. 12. Químicos más seguros 12 Principios de la Química Verde
  • 37. Contribuciones de la Química a la tecnología sustentable:  Síntesis química vía multicomponentes  Química del Edo Sólido/Mecanoquímica  Biocatálisis y Biotransformaciones Metodologías de Reacción: Química Verde De Oximas y derivados
  • 38. Las Oximas en la naturaleza Huelen bien Vol. 38 • March 2013 | Perfumer & Flavorist Floral 3-Metil butil aldoxima zarzaparrilla negra “Cassis” oxima, nombre comercial: Labienoxima, CAS# 81783-01-9) “Buchu” oxima
  • 39.  Antimicrobiano 4-Clorobenzaldehído oxima  Anticancerígeno Oxima de 6-oxoandrostandiona  Antídoto Pralidoxima Sarín Malation profilácticos Aplicaciones de las oximas
  • 40.  Fragancias y aromas Perillartina 2000:1 Sacarosa  Edulcorante  Bloque de construcción de polímeros Oxima de vainillina Ester de la oxima de vainillina Aplicaciones de Oximas
  • 41. Tradicionales Química verde  Materias primas: Bases fuertes  Solventes: Piridina, alcohol, agua  Temperaturas altas  Desechos al ambiente no fácilmente degradables  Materias primas: Menos agresivos  Solventes: agua, etanol, líquidos iónicos,  Química Sin disolvente, Mecanoquímica: temperaturas moderadas, presión atmosférica  Asistida por Microondas  Asistida por ultrasonido Obtención de oximas
  • 42. Tradicionales Química verde Materias primas: Altamente reactivas, tóxicas  Anhídridos o cloruros de ácidos carboxílicos  Piridina, benceno  Temperaturas altas  Desechos al ambiente no fácilmente degradables  Asistida por Microondas  Asistida por ultrasonido  Uso de Líquidos iónicos ó fluidos supercríticos  Ó disolventes GRAS  Biocatálisis Obtención de Ésteres de oxima y nitrilos Procesos ambientalmente aceptables a temperaturas moderadas y a presión atmosférica
  • 43. Síntesis Clásica de Oximas y Derivados Fragancias y aromas
  • 44. Chem. Biodiversity 2016, 13, 531 – 538 Croat. Chem. Acta 2014, 87:2 153-160. a) Molino planetario b) Molino de bolas Síntesis Mecanoquímica de Oximas
  • 45. “Son las reacciones químicas catalizadas por Sistemas biológicos que tienen como característica la de trabajar en condiciones suaves y exhiben alta especificidad y selectividad” Sistemas Biológicos = Microorganismos, Enzimas ó vegetales Biotransformaciones
  • 46. Biotransformaciones  Temperaturas moderadas  Presión atmosférica  pH´s neutros  Una enzima (o un sistema sencillo) Lipasas  Reacciones de uno o dos pasos  Procesos ambientalmente aceptables  Nuevos procesos en Disolventes orgánicos, iónicos, fluidos supercríticos o Sin Disolvente  Aplicar microondas, ultrasonido  Selectividad Quimio-, Regio- y Estereo Ventajas NO Tóxicos Biocatálisis = Química verde SI
  • 47. O Nu C R1 O Enz- C R1 Nu Nu : : CH2 -O CH2 -O CH-O R O R O R O CH2 -OH CH2 -O CH-O R O R O O H2 R O + ·· ·· Enz-O- Enz-O- COMPLEJO ACIL-ENZIMA  En agua  En Disolvente orgánico Klibanov J. Am. Chem. Soc., 1984 Tipos de reacción de las Lipasas ● ROH; Esterificación, Transesterificación ● R-SH, Tiotransesterificacción ● NH3, Amonólisis ● R-NH2, Aminólisis ● R-NH-NH2, Hidrazinólisis ● RR’-C=N-OH, Oximólisisximólisis ● Síntesis de Péptidos O H2 R O OH + Enz-O- Nu:  En Agua
  • 48. Mecanismo de reacción de las Lipasas en Disolvente Orgánico O O H R + N N His O O H R Asp O O H : H O Ser - Ser-O O H N N-H His Asp O O H N O H N O H R O- Intermedio tetraédrico : + : Hendidura oxianiónica O R H N N His Ser-O O R .. Asp O O H : - Complejo Acil-enzima Ser-O O R N N-H His Asp O O H N O H N O H R O- : : + + H-O-R O-R R N N His Asp O O H : H Ser - O O O-R R O O H R H-O-R Un éster O Un ácido N N His Asp O O H : H O Ser - Enzima libre
  • 50. Aldehído Clorhidrato de hidroxilamina Material de soporte Molienda mecánica 50 min Solvente Acetato de etilo Ajuste de pH=7 Filtración Extracción liquido-liquido Concentración en rotavapor Oxima de aldehído aromático Separación fase orgánica Secado con Na2SO4 Síntesis Mecanoquímica de oximas de Aldehídos aromáticos Acetato de etilo Agua
  • 51. Aldehído Material de soporte Extracción con acetato de etilo Rendimiento (%) Extracción por ajuste de pH Rendimiento (%) Veratraldehído Carbonato de sodio 61 72 Tetraborato de sodio 38 78 Amonio oxalato 44 74 Hexametilentetramina 69 78 Vainillina Carbonato de sodio 21 80 Tetraborato de sodio 19 81 Amonio oxalato 55 84 Hexametilentetramina 14 85 4-Hidroxibenzaldehído Carbonato de sodio 47 93 Tetraborato de sodio 41 87 Amonio oxalato 41 93 Hexametilentetramina 49 83 3-Nitrobenzaldehído Carbonato de sodio 76 80 Tetraborato de sodio 19 76 Amonio oxalato 41 68 Hexametilentetramina 89 90
  • 52. Oxima Rendimiento (%) Oxima Rendimiento (%) Vainillina 96 P-Hidroxi benzaldehído 96 Veratraldehído 92 m-Nitro benzaldehído 95 Anisaldehído 94 Citral 80 Oxima de vainillina Ester de Oxima de vainillina Obtención de fragancias, ésteres de oximas de aldehídos aromáticos catalizada por CAL-B CAL-B = Lipasa de Candida antarctica, Novozyme 435
  • 53. Acilación de la oxima de vainillina catalizada por CAL-B a las 6, 24, 48 y 72 h a 40°C, mediante Espectrometría de RMN de 1H
  • 54. Oxima Lipasa mallas moleculares Secado a vacío Acetato de vinilo + acetato de etilo Agitación, 80°C Filtración Análisis mediante •CCF LIPASA Atmósfera N2 Producto: Nitrilo aromático Acetilación-eliminación de las oximas de aldehídos aromáticos catalizada por CAL-B
  • 55.
  • 56.
  • 57. Reacción 80°C 3-NITROBENZONITRILO Tiempo de retención (min) Espectro de masas pico 1 P.M P.B M+ 3.18 148 102 149
  • 58. Reacción 80°C 4-HIDROXIBENZALNITRILO Tiempo de retención (min) Espectro de masas pico 2 P.M P.B M+ 3.58 119 119 120
  • 59. Reacción 80°C VERATRONITRILO Tiempo de retención (min) Espectro de masas pico 2 P.M P.B M+ 4.83 163 163 164
  • 60. Reacción 80°C VAINILLANITRILO Tiempo de retención (min) Espectro de masas pico 2 P.M P.B M+ 4.2 149 134 150
  • 61. CONCLUSIONES Se demostró que es posible sintetizar oximas de aldehídos aromáticos e hidroxilamina en fase solida utilizando materiales de soporte inorgánicos de naturaleza básica, con conversiones completas y altos rendimientos. Otros soportes que dieron conversiones completas fueron arcillas ácida, básica, celita y urea. La lipasa de Candida antarctica (Novozyme 435) catalizó la acetilación de las oximas de los aldehídos aromáticos a 40°C, y la eliminación a 80°C con acetato de vinilo como sustrato acilante y acetato de etilo como disolvente.
  • 62.
  • 64. and? • Until 2006 all the technologies nominated to the PGCCA had eliminated the use or production of: • 1.2 billion pounds of chemicals and solvents per year • Enough to fill 5000 train tanks or a 62 miles long train • 57 million pounds of CO2 has been reduced • equivalent to take out circulation 37000 cars. • 16 billion gallons of water per year have been saved www.epa.gov/greenchemistry/ Angela González, Ph.D. / UIA-SG
  • 66. New Way Chemistry for Hong Kong A-Level 3B 66  La química verde se conoce como Química sustentable o sostenible 12 principios Química Verde
  • 67. Síntesis de Oximas Síntesis: Clásica Química Verde Reacciones: Catalítica Biocatalítica
  • 68. Applications of Green Extrusion Technologydev_durable_anglais_CMYK Cellulose pulping Synthesis of chemical products and polymer materials (reactive extrusion) Production of energetic materials Biodegradable compounds, Recycled plastics Bio-sourced plastics Biomass pre-treatment Green Extrusion Technology contribute to Sustainable Development Value creation through the optimization of bio-sourced and recyclable resources Intensification of processes, generating water and energy savings and minimizing operating costs Improvement of operator’s working conditions, with up-to-date facilities and processes that comply with the latest health and safety standards Diversified business models, enabling end users to innovate and produce a wide range of environmentally friendly products The advantages of twin screw extrusion for chemical transformation Acceleration of chemical kinetics according to reactions under the effect of temperature and pressure Intensified processing, thanks of to thorough mixing between chemical reagents allowing to reduce mixing time and generating energy savings through efficient heat exchange Containment of the reaction and the use of smaller quantities of products, leading to enhanced safety conditions for operators and reduced environmental risk Higher productivity compared to conventional batch processing
  • 69. Effective Enzymatic Caffeoylation of Natural Glucopyranosides
  • 71. Structure of CAL-B CAL-B is a very versatile enzyme with catalytic triad (Ser105-His224- Asp187) showing many excellent characteristics such as high regioselectivity, enantioselectivity and stability in organic solvents. CalBcatalyzed reactions have been used in the resolution of racemic alcohols, amines, and acids, or in the preparation of optically pure compounds (Anderson et al., 1998; Kirk and Christensen, 2002; Ohtani et al., 1998; Uppenberg et al., 1994). CalB is also considered a robust biocatalyst for the production of biodiesel (Ko¨se et al., 2002; Shimada et al., 1999), and DD-polylactide for a bioplastic from lactide (Hans et al., 2009) and glycerol carbonate that is a key multifunctional compound for cosmetic solvents, monomers, and chemical intermediates
  • 72.
  • 73. Insights into Caerulomycin A Biosynthesis: A Two-Component Monooxygenase CrmH-Catalyzed Oxime Formation J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 18750−18753 Biosintesis de una Oxima Una monooxigenasa de dos-componentes que cataliza la formación de la oxima Caerulomicina A Un antibiótico antifúngico bipiridílico Tóxico a Entamoeba Posibles actividades anticancerígena e inmunosupresora
  • 74. La Química Orgánica trata con la Química de la Vida y los compuestos del carbono de origen Natural y sintético Al final del siglo pasado= Unos 15 millones de compuestos Incremento anual: 600 mil La Química está en todas partes
  • 75. Enzymatic amine resolution under solvent- free conditions at different temperatures (analytical scale results) and under optimized conditions on a 50 mmol-scale (preparative scale results). Enzymatic resolution of an amine under solvent-free conditions with diethyl malonate as reagent for acylation Sustainable Chemistry and Pharmacy 5 (2017) 42–45 Biocatálisis: Aplicación de una lipasa comercial
  • 76. Algunos perjuicios por el mal uso 1961- Agente Naranja (PCBs y Dioxinas) 1962-DDT 1969- Río Cuyahoga 1974-Flixborough 1976-Seveso 1984- Bhopal -Desastres en México
  • 77. Medios de Reacción alternativos/Sin disolvente  Química del agua: Altas temperaturas, subcrítica  Líquidos iónicos  fluorocarbonados  Fluidos Supercríticos (CO2)  Química sin Disolventes Áreas de la Química Verde para Reacciones Químicas Sustentables e Ideales :  Reactivos verdes: carbonato de dimetilo  Reactivos y Catalizadores soportados en polímeros  Catalizadores: Evitar metales pesados como: Ni, Pb.  Enzimas: Lipasas, Levadura de panificación Materiales y Reactivos: