A química verde, ou química sustentável, é o impulso estratégico para práticas verdes e sustentáveis na indústria química que visa atingir um objetivo duplo de maior eficiência e redução de resíduos.
Veja nossa lista completa de recursos químicos verdes e sustentáveis, incluindo estudos de caso e exemplos do setor. Este white paper demonstra como os dados em tempo real fornecidos pela tecnologia avançada da METTLER TOLEDO apoiam a química verde e sustentável na pesquisa, desenvolvimento e produção de moléculas e produtos farmacêuticos, químicos e poliméricos.
Os 12 Princípios da Química Verde foram desenvolvidos no final da década de 1990 por químicos que queriam tornar os processos químicos mais seguros e sustentáveis. Seguir essas diretrizes em seu laboratório pode ajudá-lo a minimizar sua pegada ambiental. Uma grande coisa sobre esses princípios é que eles podem ser implementados em qualquer lugar, desde pequenos laboratórios até grandes operações industriais.
Evitar desperdícios: Projete sínteses químicas para evitar desperdícios, pois é melhor prevenir do que tratar ou limpar. Este é um princípio fundamental para a química sustentável.
Maximize a economia do átomo: Maximize a proporção de matérias-primas que são incorporadas ao produto final. Isso minimiza o desperdício, garantindo que poucos ou nenhum átomo seja desperdiçado.
Projete sínteses químicas menos perigosas: Use e gere substâncias com pouca ou nenhuma toxicidade para os seres humanos ou para o meio ambiente. Isso reduz o risco na fonte.
Projete produtos químicos e produtos mais seguros: Desenvolva produtos químicos que sejam totalmente eficazes e desempenhem a função desejada, com toxicidade mínima.
Use solventes e condições de reação mais seguros: Evite usar substâncias auxiliares como solventes ou use alternativas mais seguras. A execução de reações à temperatura e pressão ambiente também aumenta a eficiência energética.
Aumente a eficiência energética: Minimize os requisitos de energia dos processos químicos para reduzir o impacto ambiental e econômico. Use temperatura e pressão ambiente quando possível.
Use matérias-primas renováveis: Utilize matérias-primas renováveis em vez de esgotáveis. Os produtos agrícolas e os fluxos de resíduos são frequentemente fontes de matérias-primas renováveis.
Evite derivados químicos: Minimize o uso de modificações temporárias, como bloquear ou proteger grupos. Essas etapas requerem reagentes adicionais e geram resíduos desnecessários.
Use catalisadores, não reagentes estequiométricos: Empregue reagentes catalíticos que sejam seletivos e eficazes em pequenas quantidades, pois são superiores aos reagentes estequiométricos, que são usados em excesso e produzem mais resíduos.
Projete produtos químicos e produtos para degradar após o uso: Crie produtos químicos que se decompõem em substâncias inócuas no final de sua função, evitando que persistam no meio ambiente.
Analise em tempo real para evitar a poluição: Desenvolver metodologias analíticas para monitoramento e controle em tempo real durante as sínteses para evitar a formação de subprodutos perigosos. As soluções de tecnologia analítica de processo (PAT) são fundamentais para esse princípio.
Minimize o potencial de acidentes: Escolha produtos químicos e suas formas físicas para minimizar o risco de acidentes químicos, incluindo explosões, incêndios e liberações ambientais.
"A química verde é o projeto de produtos e processos químicos que reduzem ou eliminam o uso ou a geração de substâncias perigosas. A química verde se aplica a todo o ciclo de vida de um produto químico, incluindo seu design, fabricação, uso e descarte final.
Environmental Protection Agency (EPA)
O desenvolvimento de produtos e processos eficientes, sustentáveis e muitas vezes novos requer conhecimento profundo e controle preciso. De muitas maneiras, alcançar o duplo objetivo da química verde de eficiência e redução de desperdício significa realizar uma química mais inteligente. O acesso a dados detalhados do curso de tempo e controle de parâmetros precisos requer as ferramentas certas.
Uma das tendências mais ativas na produção de produtos químicos verdes é a Qualidade por Design (QbD), e um dos principais princípios do QbD é a necessidade de construir uma reação expansiva e compreensão do processo por meio de tecnologia analítica de processo (PAT) on-line e em tempo real. Assim, o QbD é um impulsionador para o desenvolvimento da tecnologia de análise de reação em tempo real. Além disso, as informações e a compreensão do processo que podem ser obtidas a partir dos dados abrangentes fornecidos pela análise de reação em tempo real são muito aprimoradas pela aplicação de métodos de modelagem e análise de dados que fazem pleno uso de experimentos ricos em dados (DRE).
Outra tendência na química verde é o desenvolvimento em rápida evolução de novas sínteses (e a conversão de química mais antiga) usando métodos de fluxo contínuo, que oferecem várias vantagens em termos de produtividade e sustentabilidade. A química de fluxo é melhor atendida pela tecnologia de análise de reação que fornece medições contínuas e ininterruptas. A tecnologia de análise em tempo real, incluindo FTIR on-line , Raman, ultravioleta visível (UV/Vis), NIR, NMR, HPLC e MS, é usada rotineiramente para analisar a química do fluxo e garantir a estabilidade e o desempenho dos sistemas de fluxo. Além disso, a análise em tempo real permite o desenvolvimento de sistemas de auto-otimização para reações e processos.
"A química sustentável é um conceito científico que busca melhorar a eficiência com que os recursos naturais são usados para atender às necessidades humanas de produtos e serviços químicos. A química sustentável abrange o projeto, fabricação e uso de produtos e processos químicos eficientes, eficazes, seguros e mais ambientalmente benignos.
OECD, 2022 (Organisation for Economic Co-operation and Development)
A tecnologia analítica de processo (PAT), como FTIR in-situ e FBRM, tem sido um fator-chave para a pesquisa em química verde, permitindo que cientistas e engenheiros monitorem e controlem reações e processos em tempo real. Os ricos dados analíticos obtidos fornecem informações valiosas sobre a cinética da reação, transformações físicas e o efeito das variáveis no desempenho, permitindo que cientistas e engenheiros tomem decisões baseadas em dados que apóiam os princípios da química verde.
Claro, nada disso é possível sem um controle preciso. Os pesquisadores usaram estações de trabalho de síntese automatizadas para controlar e registrar com precisão todas as principais tarefas executadas em torno de um reator (temperatura, agitação, dosagem e amostragem) sem qualquer intervenção manual. A realização de reações in silico oferece mais uma maneira de atingir as metas de sustentabilidade, permitindo que os cientistas examinem solventes, determinem as condições ideais e testem novas ideias usando inteligência artificial e estatística.
Por mais de três décadas, a METTLER TOLEDO desenvolveu poderosas ferramentas de análise de PAT e reação para apoiar P&D e aumento de escala de sínteses químicas verdes e processos robustos. A capacidade de monitorar, amostrar e controlar reações automaticamente em tempo real o tempo todo e transformar rapidamente dados experimentais em informações acionáveis revolucionou a investigação científica. A necessidade urgente de fazer mais com nossos recursos existentes e reduzir o desperdício agora requer o aproveitamento dessas mesmas ferramentas para impulsionar a pesquisa, o desenvolvimento e a produção verdes e sustentáveis em toda a indústria química.
Compreensão em tempo real da cinética da reação, transições polimórficas e mecanismos para otimizar as variáveis do processo.
Compreensão em tempo real da cinética, mecanismos e caminho da reação para otimizar as variáveis da reação.
Capture imagens de alta resolução de partículas in-situ para obter uma compreensão profunda do processo para sistemas complexos.
Inserido diretamente em reatores de laboratório para rastrear a mudança de tamanho e contagem de partículas em tempo real em concentrações completas do processo.
Aumente a produtividade em seu laboratório com reatores de síntese ecológica com ferramentas de automação integradas.
Solução de amostragem automatizada e autônoma que fornece amostras de alta qualidade dia e noite para análise off-line padrão, como HPLC.
Estimar parâmetros cinéticos, modelagem in silico, desenvolver condições de reação ideais.
Uma abordagem unificada oferece suporte a aplicações de laboratório para planta para espectroscopia, caracterização de sistemas de partículas, controle preciso de reatores e calorimetria.
Desafio: Investigar e desenvolver um processo mais ecológico para a formação de partículas esféricas e granulação de etilvanilina.
A etil vanilina de sabor sintético é amplamente utilizada em uma variedade de produtos de consumo, mas os desafios práticos relacionados ao armazenamento e aglomeração dificultam sua aplicação em larga escala. A formação preferencial de partículas esféricas pode mitigar esses problemas, tornando o processamento downstream mais eficiente e resultando em maior qualidade do produto. No entanto, os métodos padrão para cristalização esférica geralmente envolvem solventes orgânicos perigosos e caros. Este trabalho descreve o desenvolvimento de uma tecnologia de aglomeração esférica oiling-out que elimina a necessidade de solventes orgânicos, proporcionando um processo mais ecológico e econômico. Os pesquisadores usaram tecnologias analíticas de processo para investigar o fenômeno de oiling-out da etil vanilina em solução aquosa. A visão mecanicista obtida com o monitoramento da mudança da concentração de soluto via FTIR (ReactIR), bem como a contagem e morfologia de partículas via EasyViewer e ParticleTrack G400 (sonda baseada em FBRM) permitiu a formação preferencial de partículas esféricas em uma solução aquosa de cloreto de sódio usando um processo simples de aquecimento e têmpera. O produto esférico de etil vanilina resultante tem excelentes propriedades de pó, alta fluidez e alto rendimento, tornando-o não apenas mais ecológico de produzir, mas também um produto de maior qualidade.
"Tendo em vista os problemas atuais de taxa de liberação de aroma muito rápida e propriedades de pó pobres da etil vanilina, este trabalho investiga sistematicamente o fenômeno de oiling-out e o mecanismo de formação de partículas esféricas de etil vanilina em uma solução aquosa. Com a ajuda de tecnologias analíticas de processo (ATR-FTIR, FBRM e EasyViewer), dois tipos de fenômenos de oiling-out de etil vanilina na água ocorrem com mudanças de temperatura. Além disso, os resultados dos espectros de infravermelho mostraram que a razão intrínseca para o aparecimento de dois fenômenos de oiling-out de etil vanilina na água é a troca de diferentes tipos de ligações de hidrogênio intermoleculares induzidas por solvatação ... Partículas esféricas de etil vanilina são preparadas com sucesso na solução aquosa de cloreto de sódio pela tecnologia de aglomeração esférica de óleo. Essa tecnologia verde elimina o uso de solventes perigosos e combina as duas operações unitárias de cristalização e granulação, o que é especialmente adequado para a indústria alimentícia."
Liu, Y., Wang, S., Li, J., Guo, S., Yan, H., Li, K., Tong, L., Gao, Y., Li, T., Chen, M, Gao, Z. & Gong, J. (2023). Preparação de partículas esféricas de etil vanilina com funções de liberação sustentada e antiaglomerante por um processo orgânico sem solventes. Química Alimentar, 402, 134518. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2022.134518
Desafio: Desenvolver uma reação de oxidação de cetona mais eficiente e segura usando oxigênio – um reagente verde e de baixo custo.
O uso de oxigênio como oxidante é ambientalmente atraente, mas apresenta riscos de segurança quando conduzido em lote devido à potencial combustão de vapores de solvente no headspace do reator. Fava et. al. conceituou e desenvolveu uma abordagem de fluxo contínuo para a oxidação aeróbia de um intermediário cetônico na síntese do IFA antitumoral, AZD4635, mitigando efetivamente esse risco. A oxidação da cetona foi promovida por um catalisador de acetato de cobre em solvente DMSO, e o efeito da temperatura do reator, carga do catalisador e vazão de gás foram investigados. Os dados obtidos via ReactIR forneceram informações importantes sobre a relação entre temperatura e conversão, permitindo fácil otimização da temperatura de reação. A implementação do fluxo contínuo otimizado reduziu a síntese geral do API para três etapas (em oposição a cinco em lote), gerando um processo mais seguro, ecológico e econômico.
"Tendo alterado a concentração, reotimizamos a temperatura de reação. Para obter dados analíticos em tempo real, implementamos um instrumento Mettler Toledo ReactIR 15 equipado com uma célula de fluxo que foi incorporada na saída da configuração de fluxo contínuo. Para reduzir o ruído de fundo devido às bolhas de oxigênio na célula, um separador de membrana foi introduzido entre a saída do reator e a célula de fluxo. Os espectros de infravermelho para 3 [cetona] e 4 [produto oxidado] mostraram diferentes bandas de absorção em 1689 cm−1 e 1675, 1693 cm−1, respectivamente. A conversão relativa pôde, portanto, ser monitorada em tempo real e, variando a temperatura, descobrimos que a oxidação prosseguiu com excelente conversão a 120 ° C, enquanto temperaturas mais baixas levaram a uma conversão incompleta.
Fava, E., Karlsson, S., & Jones, M. D. (2022). Usando oxigênio como oxidante primário em um processo contínuo: aplicação ao desenvolvimento de uma rota eficiente para AZD4635. Pesquisa e Desenvolvimento de Processos Orgânicos, 26(4), 1048–1053. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.1c00279
Desafio: Desenvolver um método químico mais sustentável para sintetizar compostos fluorados usando complexos de ródio e irídio como catalisadores. Meça os tempos de reação e determine os efeitos da substituição de arila nas taxas de fluoração.
A indústria farmacêutica tem aumentado o interesse estratégico no desenvolvimento de metodologias catalíticas limpas para sintetizar compostos fluorados. Em 2020, 37% de todos os produtos farmacêuticos de moléculas pequenas aprovados pelo FDA continham pelo menos uma porção de flúor – um aumento acentuado de 26% entre 2011 e 2020. No entanto, os métodos sintéticos comuns existentes geralmente requerem o uso de reagentes fluorados altamente reativos. Os pesquisadores avaliaram a atividade de complexos organometálicos recentemente descobertos em relação à fluoração catalítica e desenvolveram um protocolo eficiente para o uso de [(η5,κ2CC5Me4CH2C6F5CH2NC3H2NMe)-RhCl] para catalisar a fluoração de uma variedade de cloretos de acila, como doador de flúor. O protocolo desenvolvido resultou em excelente rendimento (94%) em pouco menos de uma hora e possibilitou a recuperação do catalisador, aumentando ainda mais a economia de átomos da síntese. As medições de FTIR in-situ (ReactIR) verificaram a conversão limpa de substratos em produtos, bem como forneceram os dados ricos em curso de tempo necessários para a investigação computacional, levando a uma proposta de um mecanismo envolvendo a formação de uma nova ligação Rh-F.
Morgan, P.J., Saunders, G.C., Macgregor, S.A., Marr, A.C. & e Licença, P. (2022). Fluoração nucleofílica catalisada por um complexo de ródio ciclometalizado. Organometálicos, 41, 883-891. https://doi.org/10.1021/acs.organomet.2c00052
Desafio: Desenvolver uma rota sintética mais ecológica para uma molécula antagonista de opióides usando uma síntese baseada em eletroquímicos. Obtenha informações sobre o mecanismo de oxidação de um grupo N-CH3 em um imínio.
O aumento da demanda por medicamentos que salvam vidas que podem reverter a overdose de opioides levou a um aumento significativo em seu preço. Pesquisas recentes destinadas a reduzir os custos de produção por meio de rotas sintéticas mais eficientes se concentraram nas etapas mais desafiadoras na preparação de muitos antagonistas opióides - a N-desmetilação seletiva de um precursor de 14-hidroximorfinano. Em larga escala, a N-desmetilação é realizada com quantidades estequiométricas de produtos químicos perigosos, como brometo de cianogênio ou cloroformatos. Os pesquisadores desenvolveram um método eletroquímico livre de catalisadores e reagentes para a etapa de desmetilação de N com base na oxidação anódica de dois elétrons da amina terciária, fornecendo assim uma abordagem muito mais sustentável e barata. Foi realizada a triagem da condição inicial de reação usando a eletrólise da oxicodona em uma célula indivisa à temperatura ambiente conforme modelo. Usando um ânodo de grafite e cátodo de aço inoxidável em acetonitrila com LiClO4 como eletrólito de suporte, alcançou 29% de conversão em oxazolidina com seletividade muito boa. O FTIR in-situ forneceu monitoramento em tempo real do íon imínio, levando a um mecanismo proposto para a oxazolidinação eletroquímica e desmetilativa O,N-transferência de acilo de vários precursores opiáceos importantes. O protocolo desenvolvido foi transferido para uma célula de eletrólise de fluxo, permitindo o aumento de escala.
“… A observação direta do íon imínio por espectroscopia de infravermelho também foi tentada, novamente usando a metodologia "pool de cátions". Nesse caso, uma sonda FTIR foi imersa na câmara anódica da célula dividida. O derivado da oxicodona 6-oxiodol, com o grupo cetona reduzido a álcool, foi usado como substrato para eliminar a interferência do sinal de carbonila do IR. Felizmente, sob eletrólise, um pico fraco apareceu em cerca de 1657 cm-1 que poderia ser atribuído ao trecho C═N do intermediário. O sinal fraco observado apoiou a hipótese de que o cátion imínio não é suficientemente estável a -45 ° C.
Glotz, G., Kappe, C. O., & Cantillo, D. (2020). N-desmetilação eletroquímica de 14-hidroximorfinanas: acesso sustentável a antagonistas opióides. Cartas Orgânicas, 22(17), 6891–6896. https://doi.org/10.1021/acs.orglett.0c02424
Desafio: Desenvolver um processo verde, robusto e altamente eficiente para sintetizar hexenoatos enantiomericamente puros.
Enantiomericamente puro (3R)-3-hidroxil-5-hexenoatos (1) são importantes intermediários quirais na síntese de uma variedade de compostos farmacêuticos. Estratégias sintéticas de acesso (1) baseadas em métodos químicos apresentam desvantagens significativas relacionadas à produtividade e sustentabilidade. A biocatálise oferece uma alternativa sustentável. O sistema enzimático duplo composto por um KRED mutante (ou seja, KRED-06) e Lactobacillus kefir álcool desidrogenase (LkADH) juntamente com a reciclagem de cofatores in-situ fornece excelente rendimento e enantiosseletividade de (1), mas questões práticas para aplicação industrial permanecem.
Para resolver esses problemas, os pesquisadores desenvolveram um processo de fluxo contínuo verde para produzir (1) co-imobilizando KRED / LkADH em um transportador de álcool polivinílico (PVA) por meio de aprisionamento e carregando-o em um reator tubular com extração microfluídica líquido-líquido em linha e unidades de separação por membrana. Testes de diferentes portadores revelaram que o PVA produziu a maior atividade catalítica, bem como estabilidade mecânica e física. A otimização rápida subsequente alavancou a análise FTIR e GC-MS em linha. O ReactIR foi usado para estabelecer que o estado estacionário foi alcançado após o fluxo de reação sair do reator de fluxo e que o fluxo em pistão ideal foi formado dentro do reator de fluxo, confirmando que a solução de reação foi bem distribuída enquanto fluía através do KRED/LkADH@PVA compactado.
"A otimização rápida da reação de fluxo foi realizada explorando o monitoramento FTIR em linha e a análise GC−MS. A síntese de fluxo contínuo com o substrato modelo pode proporcionar uma intensificação acentuada do processo em comparação com a reação em lote correspondente... Os resultados deste trabalho não apenas destacam a robustez e a utilidade do KRED/LkADH@PVA, mas também fornecem um processo de fluxo contínuo mais ecológico e sustentável para a produção altamente eficiente de (3R)-hidroxil-5-hexenoatos enantiomericamente puros que podem ser prontamente realizados em escala.
Hu, C., Huang, Z., Jiang, M., Tao, Y., Li, Z., Wu, X., Cheng, D., & Chen, F. (2021). Síntese assimétrica de fluxo contínuo de (3R) -3-hidroxil-5-hexenoatos com cetorredutase co-imobilizada e Lactobacillus kefir desidrogenase integrando extratores líquido-líquido microfluídicos em linha mais ecológicos e separadores de membrana. ACS Química e Engenharia Sustentável, 9(27), 8990–9000. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c01419
Desafio: Para eliminar as condições adversas de reação e os reagentes agressivos usados para metilação de organohalídeos, foi desenvolvida uma nova abordagem que usa ortoformato de trimetila como fonte de metila em uma catálise de níquel/fotorredox.
Esta nova abordagem para a metilação de organohaletos pode ser realizada em condições relativamente brandas, sem produtos químicos agressivos ou altamente tóxicos, usando o reagente orgânico comum trimetil ortoformato como fonte do grupo metil e é consistente com os objetivos da química verde. ReactIR e NMR suportam o mecanismo de ß-cisão para a reação.
Uma vez que o escopo da reação foi minuciosamente explorado, o mecanismo da reação foi investigado via FTIR in-situ. O rastreamento da reação indicou que o carbonato de dimetila e a 4'-metilacetofenona são gerados na proporção de 1:1, a partir do material de partida da 4'-cloroacetofenona. A RMN quantitativa de 13C também mostrou que a formação dos produtos foi na proporção de 1:1. Os experimentos de IR e RMN foram considerados indicativos de cinética geral de ordem diferente de zero. A formação de quantidades estequiométricas de subproduto de carbonato de dimetila é consistente com um mecanismo de ß-cisão.
Kariofillis, S. K., Shields, B. J., Tekle-Smith, M. A., Zacuto, M. J., & Doyle, A. G. (2020). Metilação catalisada por níquel / fotoredox de cloretos de (hetero) arila usando ortoformato de trimetila como fonte de radical metil. Jornal da Sociedade Americana de Química, 142(16), 7683–7689. https://doi.org/10.1021/jacs.0c02805
A análise em tempo real usa tecnologia moderna baseada em sonda que pode ser colocada diretamente nos fluxos de processo para permitir o perfil analítico do material durante a reação. Alguns exemplos de tecnologia de análise em tempo real incluem: