L'industria chimica è stata responsabile di numerosi progressi tecnologici, ma anche molti problemi e disastri ambientali. I principi applicati attraverso la cosiddetta chimica verde cercano di ridurre o eliminare le sostanze pericolose nella progettazione, fabbricazione e uso di prodotti chimici.

Questi principi sono ora ampiamente pubblicizzati come la soluzione per rendere la chimica un campo che si sviluppa in modo più sostenibile. Gli studenti di chimica di oggi si aspettano di essere istruiti tenendo conto dell'impatto ambientale. La ricercatrice in didattica della chimica Julie Haack presso l'Università dell'Oregon osserva che i metodi di laboratorio che portano a risultati più ecologici sono fondamentali per il modo in cui gli educatori di chimica equipaggiano i chimici per oggi e per il futuro.

In qualità di membro della facoltà di chimica e ricercatore di didattica della chimica verde presso l'Università di Winnipeg, con il mio collega Michael Weibe ho scoperto che ci sono molteplici vantaggi nello sviluppo di nuovi esperimenti che incorporano i principi e le metriche della chimica verde.

Quando gli studenti praticano la chimica verde, imparano a pensare in modo critico all'impatto globale del loro campo e, fortuitamente, si appassionano anche allo studio approfondito dei principi e delle tecniche coinvolte nella trasformazione chimica.

Introducendo comparativamente i principi e le metriche della chimica verde agli studenti universitari, gli istruttori possono radicare la considerazione dei principi e delle metriche della chimica verde nelle routine quotidiane dei potenziali chimici. Possono sfidare i chimici in formazione a cercare sempre percorsi alternativi, e ispirare una curiosità significativa e intenzionale.

Sostanze chimiche pericolose

Per esempio, nella lezione successiva, gli studenti possono imparare che uno sviluppo apparentemente piccolo nel modo in cui i chimici scelgono di sintetizzare le sostanze chimiche potrebbe significare mantenere volumi di massa di sostanze chimiche pericolose fuori dal flusso di rifiuti a livello industriale.

Una reazione chiamata sostituzione aromatica nucleofila è un esempio di un esperimento di laboratorio che gli studenti universitari di chimica organica possono generalmente realizzare in circa un'ora.

Nella foto sotto è una rappresentazione schematica di questa reazione. I chimici che lavorano nell'industria potrebbero fare questa sintesi come uno dei vari passaggi nella produzione di prodotti farmaceutici, plastiche o tessili.

In questo passaggio, il bromo (Br) è semplicemente sostituito da un composto organico dell'azoto (N).

Ora, l'impatto ambientale risultante da una reazione come questa di solito non è il composto bersaglio stesso (2, 4-dinitro-N, N-dietilanilina). Piuttosto, è più probabile che i rischi correlati siano i reagenti, solventi ed energia necessari per il successo della trasformazione. Questo esperimento utilizza tradizionalmente il toluene come solvente, che è tossico, e richiede un catalizzatore chiamato bromuro di tetrabutilammonio (TBAB). C'è anche l'energia necessaria per far bollire il toluene per un'ora fino a raggiungere un punto di ebollizione elevato.

Considera le alternative

Nei laboratori di chimica universitaria, gli studenti imparano rapidamente che lo sviluppo di nuovi processi richiede un'etica del lavoro metodica e impegnata. Gli studenti capiscono che potrebbero volerci mesi o anni per sviluppare percorsi meno pericolosi verso le stesse molecole bersaglio.

Sviluppare nuovi, meno pericoloso, percorsi potrebbero non sembrare né pratici né possibili, soprattutto quando gli studenti considerano le aspettative di fattori esterni come supervisori accademici o datori di lavoro che potrebbero non essere impegnati nella chimica verde.

Piuttosto che accontentarsi dei successi ottenuti con i metodi pericolosi tradizionali, tutti i chimici dovrebbero essere formati per ispezionare da vicino obiettivi ed esperimenti e porsi le seguenti domande:

• È possibile aumentare la resa (la quantità di prodotto ottenuto)?
• Come mai sono stati utilizzati particolari reagenti o solventi? Nell'esempio sopra, il toluene tossico è stato utilizzato perché è un solvente organico altobollente appropriato all'alta temperatura necessaria per questa trasformazione guidata dal calore. Il TBAB utilizzato è un catalizzatore a trasferimento di fase che consente una reazione più rapida e con rese più elevate. Ma potrebbe essere usato un sistema solvente più benigno, o altre misure adottate per influenzare il ritmo e la resa dell'esperimento?
• Quanti materiali sono necessari per formare il prodotto finale e, per associazione, quanto finisce nei rifiuti? Per esempio, i chimici possono determinare l'economia atomica (AE) di questa reazione. Un elevato AE indica un processo chimico più sostenibile, mentre un AE basso indica un processo con più scarti. Questo passaggio è chiamato determinazione delle metriche della chimica verde.

Nell'esempio sopra, l'atomo di Br e il TBAB non sono nel prodotto finale. Finiscono nel flusso di rifiuti che diminuisce l'AE sperimentale di questa reazione. In conclusione:è meno sostenibile.

Un percorso più verde

Con i miei colleghi, Sto sviluppando tecniche sperimentali che incorporano i principi e le metriche della chimica verde e portano anche a un maggiore interesse degli studenti nel guardare in modo critico al loro lavoro di laboratorio e ai risultati.

Un esempio è un esperimento che insegna agli studenti a confrontare la sintesi assistita da microonde con la tecnica tradizionale della bollitura (descritta sopra).

Gli studenti scoprono che questo percorso ha sempre successo nel produrre la stessa molecola bersaglio dell'esperimento più tradizionale:porta alla stessa sintesi ed è più verde e più facile.

Tra gli altri vantaggi, questo metodo ha un tempo di reazione di cinque minuti, rispetto a un'ora di bollitura, insieme a un work-up di reazione molto più rapido. Utilizza la miscela solvente più benigna di etanolo/acqua (il toluene è una neurotossina e una embriotossina); ha una resa maggiore e un AE più elevato, il che significa che sono necessari meno reagenti per la sintesi desiderata.

Economia atomica

Quando ho insegnato questo esperimento alternativo, Ho scoperto che gli studenti capiscono immediatamente il vantaggio della resa maggiore e della miscela di solventi benigna. E, l'aumento di AE della via assistita da microonde stimola importanti discussioni.

Questo esperimento illustra l'opportunità di guidare gli studenti a esplorare l'impatto ambientale del piccolo aumento di questa metrica della chimica verde. Gli istruttori possono discutere come un tale adeguamento potrebbe svolgersi nella chimica industriale applicata:ad esempio, solo negli Stati Uniti, le aziende chimiche stanno attualmente producendo tra 100, da 000 a 500, 000 libbre di TBAB come intermedio per facilitare la produzione di altri composti.

La rimozione di questo composto da un percorso sintetico rimuove automaticamente tutti i reagenti, solventi ed energia nella produzione, e smaltire, quello stesso composto.

L'apprendista chimico apprende che uno sviluppo della ricerca che porti a un aumento dell'economia atomica potrebbe avere un profondo impatto ambientale in un ambiente industriale.

Per cambiare la mentalità dell'industria chimica da orientata economicamente a orientata alla sostenibilità, gli scienziati devono sviluppare nuovi processi scientifici che diano priorità alle considerazioni ambientali.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.