hola

1. Teresa de Diego Puente
2012
Departamento de Bioquímica y Biología Molecular B e Inmunología
El HOMBRE Y SU ENTORNO CIENTÍFICO−CULTURAL

2. 1.Definir Química Verde y Química
Sostenible
2.Pasado, presente y futuro de la
Industria Química
3.Principios de la Química Verde
4.Catalizadores Biológicos: Enzimas
5.Medios de reacción: Solventes
“verdes”

3. ¿Qué es la Química Verde?
¿Qué es la Química Sostenible?
- Se centra en el diseño de productos y procesos
químicos que implica la reducción o eliminación de
sustancias peligrosos para las personas y el medio
ambiente
- Tecnología necesaria para cubrir las necesidades de la
generación presente sin comprometer la capacidad de
las generaciones futuras para conseguir sus propias
necesidades.
QUÍMICA
VERDESOSTENIBLE
OBJETIVOMETODOLOGÍA

4. Un poco de historia….
Enfoque tradicional
Diseño industrial basado en la optimización
económica (contaminar es “gratis”)
Peligros químicos:
desconocidos, despreciados
Seguridad:
minimizar exposición personal
"Por definición, cualquier subproducto de una operación química para la que no existe un
uso es un residuo. La forma más práctica y barata de deshacerse de un residuo es a través
de la chimenea o el río" (W. Haynes, 1954)

5. Un poco de historia….
Enfoque ambientalista

6. Un poco de historia….
•Producción más limpia – Desarrollado en 1989 por el
PNUMA (Programa de las Naciones Unidas para el Medio
Ambiente en su Programa de la Producción más Limpia).
• Ecoeficiencia – Desarrollado en 1990 por el Consejo
Mundial para el Desarrollo Sostenible
• Prevención de la contaminación- Introducido en la
legislación de Estados Unidos en 1990 en el “Acta de
prevención de la contaminación”: Química VERDE (P.
Anastas)
• I. Químicas y Petroquímicas . «Programa de cuidado
responsable del medios ambiente»
A principios de la década del ´90 surgieron en el mundo y casi
simultáneamente distintas estrategias:
DESARROLLO SOSTENIBLE
es

7. Enfoque de la Química verde
Procesos más eficientes y más rentables
Un poco de historia….

8. 1. La prevención de formación de residuos en lugar de remediación.
2. Economía atómica.
3. La reducción de productos químicos tóxicos/peligrosos.
4. La generación de productos eficaces pero no tóxicos.
5. La reducción del uso de solventes volátiles y tóxicos, y de
sustancias auxiliares.
6. La disminución en el consumo energético.
7. La utilización de materias primas renovables.
8. La reducción del número de etapas de los procesos de síntesis y
en concreto de las reacciones de derivatización.
9. La potenciación de la catálisis lo más selectiva posible, en lugar
de reactivos estequiométricos.
10. La generación de productos biodegradables.
11. El desarrollo de metodologías analíticas para la prevención de la
contaminación.
12. La minimización del riesgo de accidentes químicos.
12 Principios de la Química Verde
Paul T. Anastas, John C. Warner,1998, Green Chemistry: Theory and Practice

9. 1. PREVENCIÓN
Evitar la generación de residuos es mejor que tratarlos o limpiarlos
después.
2. ECONOMÍA ATÓMICA
Proporción de la cantidad de reactivos que se incorpora al producto de la
reacción

10. 3. REDUCCIÓN DE PRODUCTOS QUÍMICOS TÓXICOS/PELIGROSOS.
Riesgo = Peligro × Exposición
Enfoque ambientalista: Reducción de la exposición: Con
equipamiento de seguridad (gafas, etc.), pero el peligro
permanece.
Enfoque de Química Verde: Reducción del peligro: se reduce
la probabilidad y la gravedad de los accidentes. Compatible
con equipamiento de seguridad.
4. GENERACIÓN DE PRODUCTOS EFICACES PERO NO TÓXICOS.
Diseñar productos manteniendo su función pero reduciendo su toxicidad.

11. 5. LA REDUCCIÓN DEL USO DE SOLVENTES VOLÁTILES Y TÓXICOS, Y
DE SUSTANCIAS AUXILIARES.
Las sustancias auxiliares (p. ej., disolventes) no se incorporan en el producto final.
Disolventes "tradicionales" (COV)
Tóxicos: hexano
Carcinógenos: disolventes clorados, benceno
Destructores de la capa de ozono:
disolventes clorados
Disolventes preferibles (COV)
Menos tóxicos: heptano, tolueno
Disolventes oxigenados: metanol, acetona
Disolventes orgánicos renovables: lactato de etilo
Disolventes ideales
Agua
CO2 supercrítico
Líquidos iónicos
Sin disolvente

12. 6. DISMINUCIÓN EN EL CONSUMO ENERGÉTICO
La energía es cara y provoca la emisión de CO2.
7. LA UTILIZACIÓN DE MATERIAS PRIMAS RENOVABLES
Hay que diseñar los procesos
(calentamiento, enfriamiento,
separación...) para reducir el consumo
de energía.
Pueden usarse nuevas técnicas para
acelerar las reacciones (microondas,
ultrasonidos).
Derivados de combustibles fósiles:
• Afloramiento del carbono del subsuelo: aumento del efecto
invernadero
• Agotamiento del petróleo para generaciones futuras
•Encarecimiento progresivo del petróleo.
• Dificultades de aprovisionamiento del petróleo: problemas
geoestratégicos
Materias primas renovables:
Procedentes de la agricultura y otros sectores
Hidratos de carbono, aceites, fibras...
Productos más biodegradables y menos tóxicos
Bioetanol

13. 8. LA REDUCCIÓN DEL NÚMERO DE ETAPAS DE LOS PROCESOS DE
SÍNTESIS Y EN CONCRETO DE LAS REACCIONES DE DERIVATIZACIÓN
Hay que rediseñar los procesos químicos cuestionando la necesidad de:
Grupos protectores o bloqueantes Y Derivados para facilitar el procesado
(destilación, precipitación, etc.)
9. LA POTENCIACIÓN DE LA CATÁLISIS LO MÁS SELECTIVA POSIBLE,
EN LUGAR DE REACTIVOS ESTEQUIOMÉTRICOS.
Reactivos estequiométricos:
Uso en grandes cantidades
Generación de muchos
residuos
Catalizadores:
Uso en pequeñas cantidades
Generación pocos residuos
Aumento de la selectividad
Funcionan a bajas temperaturas
Permiten la recuperación

14. 10. LA GENERACIÓN DE PRODUCTOS BIODEGRADABLES
11. EL DESARROLLO DE
METODOLOGÍAS ANALÍTICAS
PARA LA PREVENCIÓN DE LA
CONTAMINACIÓN.

15. 12. LA MINIMIZACIÓN DEL RIESGO DE ACCIDENTES
QUÍMICOS.
Planta Química de Bhopal (India). Fabricación de pesticidas
1984. Murieron cerca de
4.000 personas.

16. LA QUÍMICA VERDE ES…
• Científicamente consistente,
• Económicamente eficiente, y
• Conduce hacia una civilización
sostenible.
BIOCATÁLISIS EN
SOLVENTES “VERDES”
BIOCOMBUSTIBLES

17. ENZIMAS: CATALIZADORES VERDES
Biocatálisis Estructura 3D
PROCESOS INDUSTRIALES DE SÍNTESIS QUÍMICA
 Medios no acuosos
 Condiciones extremas de reacción
• Proteínas diseñadas para trabajar en H2O
• Alta actividad catalítica
• Máxima Selectividad
• Condiciones suaves de reacción (ºC, pH, etc.)
• Elevado número de enzimas (naturales y
modificadas química- y genéticamente).
• Biodegradables
Lipasa B de C. antarctica
Protein Data Bank

18. Enzimas en Medios No Acuosos
¡¡¡INTEGRIDAD CATALÍTICA DE LA PROTEÍNA !!!
INTERÉS PARA LA QUÍMICA FINA
i.e. Disolventes Orgánicos
 Estereoselectividad
A-H + BOH A-B + H20HIDROLASA
“Nuevas” actividades catalíticas
 Biotransformaciones sobre “nuevos” sustratos
 Alta Actividad

19. Enzimas en Medios No Acuosos
ENZIMA NATIVA ENZIMA DESACTIVADA
√Sufren fenómenos de desactivación y
desnaturalización.
√Para evitar estos fenómenos se necesita:
1)Controlar los parámetros relacionados
con el agua: Log P, Aw, [H2O].
2) Estabilizar las enzimas.

20. Enzimas en Medios No Acuosos
Ingeniería
Del
Medio
Inmovilización
Modificación
Química
Ingeniería
proteica
ENZIMA
ESTABILIZADA
L.I.
Sustratos
Productos
ENZIMA
INMOVILIZADA

21. PROTEASAS
Papaína
α-Quimotripsina
LIPASAS
 C. antarctica A
 C. antarctica B
 M. miehei
SÍNTESIS DE
PÉPTIDOS Y
ÉSTERES DE AA
 Gly-Gly-Phe
 Tyr-Arg
Tyr-Glicerol
ÉSTERES
 Propionil-L-carnitina
 Alifáticos (i.e. BuBu)
Resol. rac-alcoholes
1-feniletanol
glycidol
2-pentanol
ACUOSOS
Polioles
Sales
DISOLVENTES ORGÁNICOS
MISCIBLES CON H2O
INMISIBLES CON H2O
SOLVENTES NEOTÉRICOS
Sistemas anhidros
 Fluidos supercríticos
 Líquidos iónicos
MEDIOS
Aw
MEDIOS NO CONVENCIONALES
ENZIMAS PRODUCTOS

22. ¿Cómo resolver los inconvenientes de
utilizar los solventes orgánicos?
SOLVENTES NEOTÉRICOS
FLUIDOS SUPERCRÍTICOS (1985 -…
LÍQUIDOS IÓNICOS (2000 - …
⌦Desarrollar procesos industriales limpios.
⌦Evitar medios peligrosos de reacción.
⌦Fácil recuperación de los productos.
⌦REUTILIZACIÓN DE LOS SOLVENTES.
⌦Biocatálisis en Solventes Neotéricos.
QUÍMICA FINA QUÍMICA VERDE

23. FLUIDOS SUPERCRÍTICOS
Temperatura ( ºC )
Presión(bar)
Tc
Pc
SÓLIDO
LÍQUIDO
GAS
SUPERCRÍTICO
A
C
D
gas
líquido
A
Fase
supercrítica
DC
B
B
Diagrama de Fases

Punto
Crítico

24. VENTAJAS
Alta velocidad transferencia de masa
Propiedades solventes modulables
 Alta capacidad extractiva
 Fácil recuperación de productos (Despresurización)
 Fácil reutilización (Presurización)
 Solventes medioambientalmente “inocuos”
DESVENTAJAS
 Coste económico del equipamiento apropiado
Difusividad ≈ GASES
Densidad ≈ LÍQUIDOS
P, T y/o cosolventes
i.e. scCO2: Tc =31,3; Pc = 72,9 bar; δc= 0,47 g/mL
FLUIDOS SUPERCRÍTICOS COMO MEDIOS DE
REACCIÓN / EXTRACCIÓN

25. A: Pentano
B: Hexano
C: Heptano
D: Ciclohexano
E: Tetraclorometano
F: Tolueno
G: Benzeno
H: Cloroformo
S =[δ(∆Hv-RT) / Mw]1/2
δ: densidad
∆Hv: Entalpía vaporización
Parámetro de Solubilidad de Hildebrand (S)
Solubilidad Hildebrand (cal/mL)
3 4 5 6 7 8 9 10
DensidadscCO2
(g/mL)
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
85 bar
100 bar
150 bar
200 bar
300 bar
40, 55, 70, 85, 100 ºC
A B DC E FGH
RELACIÓN ENTRE SOLVENTES ORGÁNICOS/scCO2

26. 30.000 L.I. con número CAS
NaCl a 801ºC Líquido Iónico
NaCl disuelto en H2O Solución Iónica
Líquidos Iónicos a Temperatura Ambiente (L.I.)
Sales líquidas en un amplio rango de temperatura
 Tipo de iones: Catión y Anión
Millones de combinaciones!! (1 trillón)
Modulación y/o Selección de las
propiedades físicas y químicas
 Líquidos formados exclusivamente por iones
LÍQUIDOS IÓNICOS: Terminología
801ºC22ºC
SAL LÍQUIDO IÓNICO
+ =
Solución iónica

27. LÍQUIDOS IÓNICOS A TEMPERATURA AMBIENTE
(L.I.)
Propiedades
 NO VOLATILES
 NO INFLAMABLES
 ALTA ESTABILIDAD TÉRMICA (>300ºC)
 Fase líquida en amplio rango de temperatura
 Buenos solventes para muchos compuestos
 Alta conductividad iónica (0,1 Sm-1)
Amplia ventana electroquímica (hasta 3V)

28. Inmiscibles
con H2O
Alta polaridad
Inmisicibilidad con H2O
Preservan las moleculas de
H2O esenciales para la
actividad de las enzimas !!!
H2O
Escala de Polaridad
de Reichardt
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Bmim CF3SO3
MeOH
EtOH
CH2Cl2
AcN
Heptane
Bmim BF4
Omim BF4
Bmim NTf2
Bmim PF6
Omim PF6
Omim NTf2
Odmim NTf2
DMSO
DMF
Me4Si
Polaridad de los Líquidos Iónicos
Poole, C.F. (2004). J. Chromatogr. A, 1037, 49-82

29. Reacciones enzimáticas desarrolladas en la UMU
Alta actividad
Alta enantioselectividad
Super-estabilización
Ésteres de aminoácidos
L-Tyr propil éster
Ésteres alifáticos
Acetato de butilo C6
Propionato de butilo C7
Butírato de butilo C8
Propionato de hexilo C9
Butirato de hexilo C10
Propionato de octilo C11
Resoluciones cinéticas
de sec-alcoholes
1- Feniletanol
 Glicidol
Resoluciones Cinéticas
Dinámicas
(Quimio-Enzimático)
 1-Feniletanol
L.I.
ENZIMAS
Lipasas
Proteasas
ENZIMAS SUSPENDIDAS EN LIQUIDOS IÓNICOS

30. El empleo de disolventes
orgánicos ROMPE el
criterio de proceso
integral verde!!
Fase IL
SE
P
s P
P P
s
P
s
Disolvente
s
ss
Substratos
P
P P Ps
P
ss
REACCION EXTRACCION
P
RECICLADO DEL L.I. Y LA ENZIMA
Sistema
bifásico
REACCION
OOC-R1
CH3-CHO
R1-COO-CH=CH2
LIPASA
R2-OH
R1-COO-R2
¿Como realizar procesos continuos de
síntesis química VERDE de modo integral
mediante biotransformaciones enzimáticas?

31. PROCESOS CONTINUOS VERDES
ESTRATEGIA en la UMU
MEDIO
Enzima Sustr.
Activid. Estabil. Transp. Masa
LÍQUIDOS
IÓNICOS
scCO2
 scCO2 soluble en L.I.
 L.I. insolubles en scCO2
S
P
scCO2
PARTÍCULASOPORTE
Líquido
Iónico
S
P
Flujo
USO COMBINADO DE SOLVENTES NEOTÉRICOS
Blanchard et al., 1999, Nature, 399, 28
REACTOR ENZIMÁTICO BIFÁSICO
FASE CATALÍTICA: Enzima + Líquido Iónico
FASE EXTRACTIVA: scCO2

32. BOMBA
CO2
BOMBA HPLC
RESTRICTOR
TERMOSTATIZADO
CO2
Reactor
Termostatizado Grupo frío
Sustratos
Hielo
5% Flujo
95% Flujo
Flujo total= 2mL/min
Productos
PROCESO BIOCATALÍTICO CONTINUO VERDE
Enzima-H2O-IL
Adsorbida sobre CELITE
Diseño experimental

33. BOMBA
CO2
BOMBA HPLC
Reactor
Termostatizado Grupo frío
Sustratos
5% Flujo
95% Flujo
Flujo total= 2mL/min
Productos
puros
CO2
CO2
55 bar
Tanque de
descompresión
PROCESO BIOCATALÍTICO CONTINUO VERDE
Diseño experimental

34. PROCESO BIOCATALÍTICO CONTINUO VERDE

35. MEDIO ACUOSO
Sustratos
Enzim
a
H2O
MEDIOS ANHIDROS
H
2O
Sustratos
Enzim
a
MEDIOS SUPERCRÍTICOS
Sustratos
H2
O
S
Enzim
a
LÍQUIDO
IÓNICO
S
BIOCATÁLISIS EN MEDIOS NO CONVENCIONALES

36. IL Phase
MeOH
Triolein
Support
IME
(only 1st
cycle)
FAMEs
GlyOH
MeOH*
ENZYMATIC
METHANOLYSIS
60 ºC
60 ºC
FAMEs
60 ºC
FAMEs
Hexane
Cooling
on ice
FAMEs
4-6 ºC
60 ºC
Hexane
IL Phase
SOLID
GREEN ENZYMATIC
BIODIESEL PROCESS
1st
STEP
Liquid-liquid
extraction
2nd
STEP
H2O
MeOH
Glycerol
Liquid-liquid
extraction
3rd
STEP
Vacuum
5th
STEP
MeOH
Glycerol
in H2O
IL Phase
IL Phase
IL Phase
IL Phase
60 ºC
Hexane
+
FAMEs
Cooling on
ice bath
4th
STEP
Estabilización enzimática
Ciclos catalíticos < 4 horas
Reutilización de solventes
Reutilización de enzimas
Proceso integral verde
VENTAJAS OPERACIONALES
SÍNTESIS ENZIMÁTICA DE BIODIESEL POR VIA ENZIMÁTICA
EN ILs
P. Lozano, T. De Diego, J.L. Iborra. 2007.
Production of biodiesel by enzyme
catalysis in ionic liquids. W.O. Pattent

37. 1. LOS LÍQUIDOS IÓNICOS SON EXCELENTES MEDIOS
NO ACUOSOS PARA LA CATÁLISIS ENZIMÁTICA
Biocatálisis Aplicada
Bioprocesos
industriales verdes
ENZIMAS EN SISTEMAS L.I. / scCO2
2. DISEÑO DE BIOPROCESOS QUÍMICOS VERDES
 Proporcionan un microambiente idóneo para la actividad catalítica
 Estabilizan a las enzimas en procesos continuos y condiciones extremas
+
+
Cl
-
Cl
-
N N
NN
S
P
scCO2
SUPPORTPARTICLE
Ionic
Liquid
S
P
Flow
IL Phase
s. XX s. XXI
CONCLUSIONES