La industria química ha sido responsable de numerosos avances tecnológicos, pero también muchos problemas ambientales y desastres. Los principios aplicados a través de lo que se llama química verde buscan reducir o eliminar sustancias peligrosas en el diseño, fabricación y uso de productos químicos.

Estos principios ahora se promocionan ampliamente como la solución para hacer de la química un campo que se desarrolle de manera más sostenible. Los estudiantes de química de hoy esperan ser educados teniendo en cuenta el impacto ambiental. La investigadora en educación química Julie Haack de la Universidad de Oregon señala que los métodos de laboratorio que conducen a resultados más ecológicos son fundamentales para la forma en que los educadores de química equipan a los químicos para el presente y el futuro.

Como miembro de la facultad de química e investigadora de la educación en química verde en la Universidad de Winnipeg, con mi colega Michael Weibe, descubrí que existen múltiples beneficios al desarrollar nuevos experimentos que incorporan los principios y métricas de la química verde.

Cuando los estudiantes practican la química verde, aprenden a pensar críticamente sobre el impacto global de su campo y, de manera fortuita, también se apasionan por estudiar de cerca los principios y técnicas involucrados en la transformación química.

Al presentar comparativamente los principios y métricas de la química verde a los estudiantes universitarios, Los instructores pueden incorporar la consideración de los principios y métricas de la química verde en las rutinas diarias de los posibles químicos. Pueden desafiar a los químicos en formación a buscar siempre rutas alternativas, e inspirar una curiosidad significativa y decidida.

Químicos peligrosos

Por ejemplo, en la siguiente lección, los estudiantes pueden aprender que un desarrollo aparentemente pequeño en la forma en que los químicos eligen sintetizar productos químicos podría significar mantener grandes volúmenes de productos químicos peligrosos fuera de la corriente de desechos a nivel industrial.

Una reacción llamada sustitución aromática nucleofílica es un ejemplo de un experimento de laboratorio que los estudiantes de química orgánica de pregrado generalmente pueden lograr en aproximadamente una hora.

A continuación se muestra una representación esquemática de esta reacción. Los químicos que trabajan en la industria pueden hacer esta síntesis como uno de los varios pasos en la producción de productos farmacéuticos, plásticos o textiles.

En este paso, el bromo (Br) está simplemente sustituido por un compuesto de nitrógeno orgánico (N).

Ahora, el impacto medioambiental resultante de una reacción como ésta no suele ser el compuesto objetivo en sí (2, 4-dinitro-N, N-dietilanilina). es más probable que los peligros relacionados sean los reactivos, solventes y energía que son necesarios para la transformación exitosa. Este experimento utiliza tradicionalmente tolueno como disolvente, que es tóxico, y requiere un catalizador llamado bromuro de tetrabutilamonio (TBAB). También existe la energía necesaria para hervir el tolueno durante una hora hasta un punto de ebullición alto.

Considere las alternativas

En los laboratorios de química de pregrado, los estudiantes aprenden rápidamente que el desarrollo de nuevos procesos requiere una ética de trabajo metódica y comprometida. Los estudiantes llegan a comprender que el químico en ejercicio podría necesitar meses o años para desarrollar rutas menos peligrosas para las mismas moléculas objetivo.

Desarrollando nuevos, menos peligroso, las rutas pueden no parecer prácticas ni posibles, especialmente cuando los estudiantes consideran las expectativas de factores externos como supervisores académicos o empleadores que pueden no estar comprometidos con la química verde.

En lugar de estar satisfecho con los éxitos de los métodos peligrosos tradicionales, Todos los químicos deben estar capacitados para inspeccionar de cerca los objetivos y los experimentos y hacerse las siguientes preguntas:

• ¿Podría aumentarse el rendimiento (la cantidad de producto obtenido)?
• Por qué ¿Se han utilizado reactivos o disolventes particulares? En el ejemplo anterior, se usó tolueno tóxico porque es un solvente orgánico de alto punto de ebullición apropiado para la alta temperatura necesaria para esta transformación impulsada por calor. El TBAB utilizado es un catalizador de transferencia de fase que permite que la reacción se produzca más rápidamente y con mayores rendimientos. Pero, ¿podría usarse un sistema solvente más benigno? u otros pasos tomados para impactar el ritmo y el rendimiento del experimento?
• ¿Cuántos materiales son necesarios para formar el producto final, y por asociación, cuanto terminan en desperdicio? Por ejemplo, los químicos pueden determinar la economía atómica (AE) de esta reacción. Un AE alto significa un proceso químico más sostenible, mientras que un EA bajo significa un proceso con más desperdicio. Este paso se denomina determinación de métricas de química verde.

En el ejemplo anterior, el átomo de Br y el TBAB no están en el producto final. Terminan en la corriente residual lo que disminuye el AE experimental de esta reacción. En pocas palabras:es menos sostenible.

Una ruta mas verde

Con mis colegas, Estoy desarrollando técnicas experimentales que incorporan los principios y métricas de la química verde y también llevan a un mayor interés de los estudiantes en mirar críticamente su trabajo de laboratorio y los resultados.

Un ejemplo es un experimento que capacita a los estudiantes para comparar la síntesis asistida por microondas con la técnica tradicional de ebullición (descrita anteriormente).

Los estudiantes descubren que esta ruta tiene un éxito constante en la producción de la misma molécula objetivo que en el experimento más tradicional:conduce a la misma síntesis y es más ecológica y fácil.

Entre las otras ventajas, este método tiene un tiempo de reacción de cinco minutos, en comparación con una hora de ebullición, junto con una reacción mucho más rápida. Utiliza la mezcla de disolventes más benigna de etanol / agua (el tolueno es una neurotoxina y una embriotoxina); tiene un mayor rendimiento y una mayor EA, lo que significa que se requieren menos reactivos para la síntesis deseada.

Economía del átomo

Cuando haya enseñado este experimento alternativo, Descubrí que los estudiantes comprenden de inmediato el beneficio del aumento de rendimiento y la mezcla de solventes benignos. Y, el aumento de EA de la ruta asistida por microondas genera importantes discusiones.

Este experimento ilustra la oportunidad de guiar a los estudiantes a explorar el impacto ambiental del pequeño aumento en esta métrica de química verde. Los instructores pueden discutir cómo se podría desarrollar tal ajuste en la química industrial aplicada:por ejemplo, solo en los Estados Unidos, Las empresas químicas producen actualmente entre 100, 000 a 500, 000 libras de TBAB como intermedio para facilitar la producción de otros compuestos.

La eliminación de este compuesto de una ruta sintética elimina automáticamente todos los reactivos, disolventes y energía en la producción, y deshacerse de, ese mismo compuesto.

El aprendiz de químico aprende que un desarrollo de investigación que conduzca a un aumento en la economía de los átomos podría tener un profundo impacto ambiental en un entorno industrial.

Para cambiar la mentalidad de la industria química de estar impulsada económicamente a impulsada por la sostenibilidad, los científicos deben desarrollar nuevos procesos científicos que prioricen las consideraciones ambientales.

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.