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Universidade do Brasil - UFRJFaculdade de Farmácia – Departamento de FármacosDisciplina: Tecnologia Químico-Farmacêutica (FFI – 406) Química Industrial farmacêutica (FFI – 012)

A química verde

Nuria Cirauqui Díaz (cirauqui@pharma.ufrj.br) Abril 2012

Introdução

IntroduçãoToxics Release Inventory (TRI)

Introdução

Introdução

Definições• Desenvolvimento auto-sustentável (DS): o progresso industrial que

atende às necessidades do presente sem comprometer a capacidade das futuras gerações satisfazerem às suas próprias necessidades

• Remediação: tratamento adequado do resíduo gerado

• “Green chemistry”, ou química verde, química limpa, química ambientalmente benigna, ou química auto-sustentável: planelamento, desenvolvimento e implementação de produtos químicos e processos para reduzir ou eliminar o uso ou geração de substâncias nocivas à saúde humana e ao meio ambiente

Histórico• 1991: “Rotas Sintéticas Alternativas para Prevenção de Poluição”• 1993: Consórcio Universitário Química para o Ambiente (INCA), Italia.

Escola Internacional de Verão em Química Verde, que tem contado com a participação de jovens químicos de 20 países diferentes

• 1995: “The Presidential Green Chemistry Challenge” (“PGCC”): cinco categorias: acadêmico, pequenos negócios, rotas sintéticas alternativas, condições alternativas de reação e desenho de produtos químicos mais seguros

• 1997: “Green Chemistry Institute” (GCI): atua em parceria com a Sociedade

Americana de Química (“American Chemical Society, ACS”)• 2001: IUPAC aprova a criação do Sub-Comitê Interdivisional de

“Green Chemistry” e realiza o Workshop sobre Educação em “Green Chemistry”. Conferência CHEMRAWN XIV (“The Chemical Research Applied To World Needs: teve como tema a Busca por Produtos e Processos Benignos ao Ambiente, mais de 140 trabalhos relacionados ao tema

• Periódico bimestral “Green Chemistry”: da “UK Royal Society of Chemistry, RSC”

Três categorias de processos• Uso de fontes renováveis ou recicladas de matéria-prima

• Aumento da eficiência de energia, ou a utilização de menos energia para produzir a mesma ou maior quantidade de produto

• evitar o uso de substâncias persistentes, bioacumulativas e tóxicas

Os doze princípios 12

Os doze princípios 12

Prevenção

Ideia: Evitar a produção do resíduo é melhor do que tratá-lo ou “limpá-lo” após sua geração

Redução na fonte Eficiência

Ex. Ausência total de produtos tóxicosMenor gasto

Prevenção

ChemicalProcess

Prevenção

Prevention & Reduction

Recycling & Reuse

Treatment

Disposal

Pollution Prevention Hierarchy

Prevenção

HCl, AcOH, Al HCl

AcOH

NH3

Prevenção

AcOH

Os doze princípios 12

Economia de átomos

Deve-se procurar desenhar metodologias sintéticas que possam maximizar a incorporação de todos os materiais de partida no produto final

Economia de átomos

Economia de átomos

Economia de átomos

Reações com alta e baixa eficiência de átomos

Alta eficiência: reações de adição (DielsAlder, adição a olefinas) e rearranjos intramoleculares, reações envolvendo catálise e biocatálise

Baixa eficiência: reações de eliminação, acilação de Friedel-Crafts, além da reação deWittig, reações estequiométricas de uma maneira geral

Sínteses verde

Sínteses marrom

Economia de átomos

Outro termo: O FACTOR E

Utilizado especialmente a nível industrial, o fator E considera a quantidade de resíduo gerado para cada quilograma de produto obtido

Resíduo = todo o que é produzido que não é o produto desejado

Os doze princípios 12

Produtos mais seguros

3. Síntese de Produtos Menos Perigosos: Sempre que praticável, a síntese de um produto químico deve utilizar e gerar substâncias que possuam pouca ou nenhuma toxicidade à saúde humana e ao ambiente.

4. Desenho de Produtos Seguros: Os produtos químicos devem ser desenhados de tal modo que realizem a função desejada e ao mesmo tempo não sejam tóxicos

Produtos mais seguros

Dois exemplos ilustrativos, agraciados com o prêmio “PGCC”, do governo americano:

CONFIRMTM (Rohm and Haas): inseticida da família das diacilhidrazinas, eficaz no controle de lagartas lepdópteras, que atacam diversas lavouras em todo o mundo. Não traz prejuízo a outras formas de vida além daquela para a qual foi desenvolvido.

SEA-NINE® (Rohm and Haas): antilimo para emprego na proteção de cascos de navio. VS óxido de tributilestanho (mutagênico e persistente).

Os doze princípios 12

Auxiliares mais seguros

O uso de substâncias auxiliares (solventes, agentes de separação, secantes, etc.) precisa, sempre que possível, tornar-se desnecessário e, quando utilizadas, estas substâncias devem ser inócuas.

Substituição de solventes orgânicos convencionais por solventes verdes, como fluidos super críticos (particularmente CO2, a 31,1°C e 73,8 atm), líquidos iônicos à temperatura ambiente, e água próxima do estado super crítico.

Auxiliares mais seguros

O uso de substâncias auxiliares (solventes, agentes de separação, secantes, etc.) precisa, sempre que possível, tornar-se desnecessário e, quando utilizadas, estas substâncias devem ser inócuas.

Substituição de solventes orgânicos convencionais por solventes verdes, como fluidos super críticos (particularmente CO2, a 31,1°C e 73,8 atm), líquidos iônicos à temperatura ambiente, e água próxima do estado super crítico.

Reações em ausência de solvente

morteiro

Os doze princípios 12

Eficiência de energia

A utilização de energia pelos processos químicos precisa ser reconhecida pelos seus impactos ambientais e econômicos e deve ser minimizada.

Se possível, os processos químicos devem ser conduzidos à temperatura e pressão ambientes

Eficiência de energia

Precisa:

- Resfriamento- Duas destilações

Em geral, a energia pra isso provem da queima de combustíveis fósseis, não renováveis.

Eficiência de energia

HeatingCoolingStirringDistillationCompressionPumping Separation

Energy Requirement(electricity)

Burn fossil fuel

CO2 toatmosphere

GLOBAL WARMING

Os doze princípios 12

Fontes renováveis de MP

Sempre que técnica- e economicamente viável, a utilização de matérias-primas renováveis deve ser escolhida em detrimento de fontes não renováveis:

Materiais derivados de plantas e outras fontes biológicas renováveis (BIOMASSA) (Ex. Biodiesel)

Materiais reciclados

CO2 e metano são considerados renováveis, porque podem ser obtidos tanto por métodos sintéticos como naturais

Fontes renováveis de MP

Fontes renováveis de MP

Os doze princípios 12

Evitar formação de derivados

A derivatização desnecessária (uso de grupos bloqueadores, proteção/desproteção, modificação temporária por processos físicos e químicos) deve ser minimizada ou, se possível, evitada, porque estas etapas requerem reagentes adicionais e podem gerar resíduos.

Evitar formação de derivados

Idealmente, uma síntese deve levar à molécula desejada a partir de materiais de partida de baixo custo, facilmente obtidos, de fonte renovável, em uma única etapa, simples e ambientalmente aceitável, que se processe rapidamente e em rendimento quantitativo. E o produto seja separado da mistura da reação com 100% de pureza

Os doze princípios 12

Catálise

Reagentes catalíticos (tão seletivos quanto possível) são melhores que reagentes estequiométricos

Reações com Catalisadores heterogêneos:

mais limpas,mais seletivasmais econômicas (reciclar e reutilizar o catalisador por várias vezes). redução na formação de sais inorgânicos

Catálise

Usado na fabricação de

Nylon

5-8% do N2O antropogênico lançado na atmosfera

Agente oxidante

Agente oxidante

Catálise de transferência de fase

Catálise

Outros métodos de “catálise” verde: A biocatálise, a fotoquímica e a síntese biomimética também se enquadram na tecnologia limpa de processos químicos.

Catálise

Outros métodos de “catálise” verde: A biocatálise, a fotoquímica e a síntese biomimética também se enquadram na tecnologia limpa de processos químicos.

Biocatálise

Uso de cátalise natural (ex. enzimas, microorganismos,..) para fazer reações químicas.

É um tipo de catálise heterogénea.

Vantagens: seletividade (chemoseletiva e estereoseletiva)Condições suaves de síntese

Catálise

Outros métodos de “catálise” verde: A biocatálise, a fotoquímica e a síntese biomimética também se enquadram na tecnologia limpa de processos químicos.

Fotoquímica

Uma reação fotoquímica é uma reação química que é induzida por luz

Catálise

Outros métodos de “catálise” verde: A biocatálise, a fotoquímica e a síntese biomimética também se enquadram na tecnologia limpa de processos químicos.

Biomimética

Área da ciência que tem por objetivo o estudo das estruturas biológicas e das suas funções, procurando aprender com a Natureza e utilizar esse conhecimento em diferentes domínios da ciência.

Ex. Catálise biomimética (metaloporfirinas: imitação de citocromo P450)

Os doze princípios 12

Desenho para a degradação

Os produtos químicos precisam ser desenhados de tal modo que, ao final de sua função, se fragmentem em produtos de degradação inócuos e não persistam no ambiente

Desenho para a degradação

Polyhydroxyalkanoates (PHA’s)

Os doze princípios 12

Análise em tempo real

Uso de metodologias analíticas que viabilizem um monitoramento e controle dentro do processo, em tempo real, antes da formação de substâncias nocivas

Monitoramento de uma reação:

Monitoramento on-line: medições realizadas com amostras que são desviadas da linha de processo e que podem, quando conveniente, ser retornadas ao processo.

Monitoramento in-line: medições realizadas sem a remoção da amostra da linha de processo.

Técnicas usadas: FTIR, Raman, UV-Visible, MS, NMR, HPLC,...

Técnicas usadas: FTIR, Raman, UV-Visible, pH, redox, FBRM (Focused Beam Reflectance measurements),...

Análise em tempo real

Os doze princípios 12

Processos seguros As substâncias, bem como a maneira pela qual uma substância é utilizada em um processo químico, devem ser escolhidas a fim de minimizar o potencial para acidentes químicos, incluindo vazamentos, explosões e incêndios

Processos seguros

ConclusõesPassados cerca de dez anos do surgimento da química verde, muito pouco ou quase nada tem sido discutido sobre o assunto no Brasil

No Brasil não existe atualmente uma política de incentivo ao desenvolvimento e implantação da química verde

Grande avanço obtido com a iniciativa de algumas agências de fomento, que lançaram editais para o financiamento de programas de gerenciamento e tratamento de resíduos

Precisa criar linhas de investimento para o desenvolvimento de tecnologias limpas e a implementação de políticas de redução na fonte, tanto no segmento industrial como acadêmico

Um profissional formado dentro dos princípios da química verde estará muito mais preparado para o desafio que a indústria e o meio acadêmico passaram a impor nos últimos anos: a busca pela química auto-sustentável

Alguns links

Alguns links

O uso do micro-ondas na química verde

Que são as micro-ondas?

Que são as micro-ondas?O aquecimento por microondas é também chamado de aquecimento dielétrico

Existem dois mecanismos principais para a transformação de energia eletromagnética em calor

1. Rotação de dipolo

O campo elétrico na freqüência de 2,45GHz oscila (muda de

sinal) 4,9 x 109 vezes por segundo

calor

Que são as micro-ondas?O aquecimento por microondas é também chamado de aquecimento dielétrico

Existem dois mecanismos principais para a transformação de energia eletromagnética em calor

2. Condução iônica

Que são as micro-ondas?

Outro fator que é essencial à compreensão do mecanismo de produção de calor com a utilização de micro-ondas é o fator de perda dielétrica ( ’’) que mede a eficiência da conversão de energia εeletromagnética em calor.

Material e’’

Gelo 0,00288

Água 12,0419

Propanol 2,479

Etinoglicol 12

Heptano 000019

CCl4 0,00088H2O/NaCl??

Vantagens• Menor tempo de reação

• Maiores taxas de aquecimento quando alguma substância (solvente ou um reagente) presente absorve bem microondas

• Se o reator ou recipiente da reação é transparente às microondas (como teflon, por exemplo), a energia é absorvida somente pelos reagentes ou solvente (ou até seletivamente por apenas um dos constituintes da reação)

• A energia é transferida diretamente para a amostra

• Maior rendimento, maior seletividade e menor decomposição térmica

Vantagens

Reações em ausência de solvente

Método verde de síntese

Reações com solvente"MORE Chemistry" ("Microwave Oven Reaction Enhancement")

solventes polares

solvente escolhido deve ter um ponto de ebulição cerca de 30 oC acima da temperatura da reação

Reações em frasco aberto

Reatores microondasVantagens:

• possibilidade de realização de refluxo, utilização de pressão, controle de temperatura e pressão

• segurança operacional

• distribuição homogênea de calor no interior

• possibilidade de trabalhar com potências menores (15-300 W), que evita decomposição térmica

• Maior eficiência energética

• Maior reproducibilidade

Reatores microondas

Reatores microondas

®

Reatores microondas

Gás Refrigerante

Sistema de Agitação Magnética

Leitura de Temperatura independe do Volume da amostra

Circulação de gás pela cavidade para resfriamento rápido da amostra

Reatores microondas

Tampa IntelliVent

Frasco de 35 mL(2.5 – 25.0 mL)

Frasco de 10 mL(0.2 – 7.0 mL)

Frasco de 4.0 mL (0.1 – 2.5 mL)

Seletividade

Scale-up

• Porque não tem reatores microondas com volumem para planta piloto?• Penetrabilidade da reação

(1-10 cm)

• Não dá então para usar a escala industrial?• Fluxo contínuo

Conclusões• O aquecimento por microondas é uma forma atraente de conduzir reações

orgânicas pela grande redução nos tempos de reação e bons rendimentos. A técnica é promissora do ponto de vista industrial, já existindo vários reatores em uma escala de laboratório, e novas aproximações a escala industrial.

• A utilização de aquecimento por microondas em reações em ausência de solvente tem sido apontada como uma técnica de Química Limpa.

• A possibilidade de controle de seletividades é um campo novo e bastante promissor da química de microondas.

• A existência do chamado "efeito microondas" está presente em vários exemplos onde resultados obtidos com irradiação por microondas não são possíveis com aquecimento convencional, porém mais estudos são necessários para uma melhor entendimento deste fenômeno.

Bibliografía• Clayden, J.; Greeves, N.; Warren, S.; Wothers, P. Organic Chemistry.

Oxford University Press, 2005• Os 12 principios da química verde. Quim. Nova, Vol. 26, No. 1, 123-

129, 2003• Microondas em síntese organica. Quím. Nova, vol 25, no 4 (2002)