la química verde intenta ser aplicable como una alternativa a los procesos comunes de síntesis; con la finalidad de disminuir los riesgos y los contaminantes emitidos al ambiente
1. Instituto Tecnológico de
Veracruz
Unidad de Investigación y
desarrollo en Alimentos
Laboratorio de Bioprocesos
Dr. Gerardo Valerio Alfaro
Química verde y
Sustentable
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
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
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
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
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
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.
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
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
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: