domingo, 21 de junio de 2009

Aplicación de la química verde (Green Chemistry) y sus 12 principios para construir un futuro más sostenible

Rogelio Siles, Ph.D
Medicinal Chemist
Department of Biology
The Johns Hopkins University
Baltimore, Maryland, USA
resiles@yahoo.com

Se estima que para el año 2040 la población mundial llegara a los 9 billones (1) y con ello habra una demanda por insumos quimicos y muchos servicios basicos que se reflejaran en la disminución considerable de las reservas de los recursos no renovables (principalmente los combustibles fósiles). Con el advenimiento de la revolución industrial el hombre aprendió a convertir las materias primas en productos de forma más rápida y automatizada reduciendo así los costos de producción y aumentando cuantiosamente los ingresos. Es indudable que la creación de industrias y fábricas ha producido grandes cambios socio-económicas, tecnológicos y culturales en la humanidad. Sin embargo, al correr de los años el hombre ha usado indiscriminadamente las materias primas no-renovables y ha vertido al medio ambiente cantidades colosales de compuestos peligrosos y tóxicos que ponen a riesgo no solo la salud humana sino también de generaciones futuras de toda especie biológica existente en la tierra.
No fue sino hasta principios de la década de los 60s que el hombre se dio cuenta que la actividad industrial traía consigo consecuencias negativas tanto para el como para el medio ambiente.

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Por ejemplo, en 1962 Rachael Carson publico su libro llamado “Silent Spring” en el cual por primera vez reporta el efecto que tenían los pesticidas sintéticos en los huevos de diversas aves y como esto afectaba negativamente a través de la cadena alimenticia. A partir de ese momento diferentes gobiernos de diferentes países empezaron a considerar que el impacto ambiental de los compuestos químicos era un problema serio y había que establecer regulaciones de la manera en la que un compuesto químico se hacia, se usaba y se desechaba. En 1985 la agencia de protección al medio ambiente (EPA) empezó a publicar anualmente reportes de toxicidad de compuestos químicos vertidos al medio ambiente (conocidos como TRI, Toxics Release Inventory) en la cual se muestra las cantidades de los principales compuestos tóxicos producidos por los principales sectores industriales (química, papelera, gasífera, refinería, minera, etc.). Por ejemplo, en el año 2007 el reporte mostro que 4.1 billones de libras de aproximadamente 650 compuestos tóxicos fueron dispersados al medio ambiente (2) y de esta cantidad la industria química (incluyendo metalurgia) es la que mas aporta con desechos químicos (3,8).
En 1987 la comisión mundial de desarrollo y medio ambiente (Brundtland Commission) de las naciones unidas, definió desarrollo sostenible como aquel que satisface las necesidades del presente sin comprometer las necesidades vitales de generaciones futuras (4,5). Esto implica que los gobiernos actuales son responsables de hacer leyes que regulen el uso y la explotación de materias primas, la síntesis y estudio toxicológico de nuevos compuestos introducidos a la sociedad y la manera más segura en la cual serian desechados al medio ambiente con el fin de no poner en riesgo a las generaciones actuales ni futuras.
En este afán de construir un futuro más sostenible, los químicos y en particular los químicos sintéticos jugamos un papel muy importante porque llevamos la responsabilidad de desarrollar métodos sintéticos en los cuales se use de preferencia materiales de partida de fuentes renovables, de alta selectividad (formación solo del producto deseado), eficiencia (de alto rendimiento) y que en general durante todo el proceso de síntesis no se use o sea mínimo el uso de solventes benignos (como el agua).
Sin embargo la responsabilidad del químico no debería solo concentrarse en la química en si misma sino que requerirá tener conocimiento de toxicología para que pueda estimar el grado de toxicidad del compuesto que pretende sintetizar de tal manera que tenga el conocimiento suficiente de decidir si vale la pena hacer un compuesto menos activo (es decir no tan bueno para el objetivo principal para el cual se ha sintetizando) y hacer otro menos activo pero ambientalmente mas aceptable (anticipar el riesgo ambiental). Finalmente, el químico sintético deberá tener conocimiento en química ambiental y los posibles mecanismos de degradación que el compuesto sintetizado podría tener. Es entonces necesario tener conocimiento del ciclo de vida de dicho compuesto que involucra desde la adquisición de la materia prima, fabricación, distribución, usos y el fin de su vida útil (7). Los químicos estamos capacitados para poder manipular y transformar la materia a nuestra conveniencia y de ahí es que tenemos el poder de reducir o eliminar cualquier riesgo potencial asociado con la síntesis de un compuesto.
En 1990 Paul T. Anastas y John C. Warner introdujeron por primera vez el concepto de química verde (conocida también como síntesis química ambientalmente benigna o rutas sintéticas alternativas para la prevención de contaminación o química limpia) como una excelente alternativa para hacer frente al problema de contaminación ambiental generada por industrias químicas. De manera simple, la química verde se define como la invención, el diseño y la aplicación de productos químicos y procesos que tienen el objetivo de reducir o eliminar el uso y generación de substancias peligrosas (3,6). El objetivo final de la química verde es de reducir la generación de desperdicio químico toxico y se basa en la premisa de que es mejor prevenir la formación de desecho que tratarlo una vez que sea formado. En 1997 ambos científicos propusieron lo que se conoce como “los 12 principios de la química verde” y que a través de ellos se estimula a los científicos, empresarios e industriales a que diseñen procesos más eficientes y seguros en los cuales se involucren materias primas renovables (tanto como sea posible) y se evite el uso y la generación de reactivos y solventes peligrosos o tóxicos (4). En el 2003, Anastas y Julie B. Zimmerman ampliaron estos conceptos y publicaron “los 12 principios de la ingeniería verde” que básicamente siguen los mismos principios de la química verde pero escrita desde un punto de vista ingenieril (4,7).

Los 12 principios de la química verde (3,4):

1) Prevención

Es mejor prevenir la producción de desperdicio químico que tratarlo o degradarlo una vez que ha sido formado.

2) Economía atómica

Los métodos sintéticos deben ser diseñados para maximizar la incorporación de todos los materiales usados en el proceso en el producto final.

3) Síntesis química menos peligrosa

Cuando sea posible y práctico, nuevos métodos sintéticos deben ser diseñados para usar y generar sustancias que posean poca o ninguna toxicidad para la salud humana y el medio ambiente.

4) Diseño de compuestos químicos más seguros

Los productos químicos deben ser diseñados para efectuar la función deseada manteniendo baja su toxicidad

5) Solventes y aditivos más seguros

El uso de compuestos auxiliares (como solventes y agentes de separación) no deben ser usados cuando sea posible o si son usados deben ser lo mas inofensivos posibles.

6) Diseño para obtener eficiencia de energía

Los requisitos de energía para procesos químicos deben ser seleccionados de acuerdo a su impacto ambiental y económico y deben ser minimizados si es posible. Las reacciones químicas deben ser ejecutadas a temperatura y presión ambiental.

7) El uso de materia prima renovable

El material de partida debe ser renovable en vez de usar fuentes no renovables siempre y cuando técnica y prácticamente sea posible.

8) Reducción de derivados

La derivatización innecesaria (el uso de grupos protectores, modificación temporaria de procesos físico químicos, etc.) debe ser minimizada o evitada si es posible debido a que estas etapas extras usan reactivos adicionales que pueden generar más desperdicio.

9) Catálisis

Los reactivos catalíticos (lo más selectivo posible) son superiores a reactivos estequiometricos.

10) El diseño para la subsecuente degradación

Los productos químicos deben ser diseñados de tal manera que al final de su función ellos puedan ser descompuestos en productos inofensivos y que no persistan en el medio ambiente.

11) Análisis en tiempo real para prevenir la contaminación

Metodologías analíticas necesitan ser desarrolladas para permitir el monitoreo y control en tiempo real de la formación de sustancias toxicas o peligrosas.

12) Procesos químicos más seguros para prever accidentes

Las sustancias y la forma en la que estas son usadas en procesos químicos deben ser cuidadosamente escogidas de tal manera de minimizar posibles accidentes químicos tales como derrames, explosiones y fuegos.
Tradicionalmente la manera en la que la industria y la sociedad a través de leyes ambientales han reducido el riesgo es disminuyendo la exposición a las sustancias toxicas (3,9)

Riesgo= f (peligro, exposición)

Sin embargo, la química verde postula que mas que disminuir la exposición a sustancias toxicas es mejor evitar sintetizarlas o manipularlas desde la primera etapa de sus síntesis.

Implementación de la química verde en industrias Bolivianas


Enseñanza de la química verde en colegios y universidades Bolivianas
Si deseamos alcanzar un verdadero futuro sostenible es necesario empezar por cambiar lo que se ensena y como se ensena. Es importante empezar a reestructurar los curriculums tanto de colegios como las universidades. Nuestras instituciones academicas deben preparar nuevas generaciones de profesionales que esten capacitados para afrontar los problemas actuales ambientales y prevenirlos en el futuro.
En lo que concierne a la carrera de quimica y areas anexas, se puede redisenar por completo los experimentos de laboratorio usando materias primas renovables y/o evitando usar reactivos, solventes y cualquier quimico que sea peligroso o muy toxico. La incorporacion de estos nuevos experimentos deben ser hechos de tal manera de minizar en todo el proceso la acumulacion de desperdicio quimico. Este topico no solo concierne a los quimicos ni a un grupo reducido de profesionales sino que tiene que ver con toda una sociedad y mundo entero en general que esta deseosa de tener un equilibrio sano con la naturaleza. Por esta razon empezando por el gobierno debe impulsar la capacitacion en quimica verde a profesionales que no solo trabajan en instituciones academicas sino tambien en industrias y fabricas donde se desechan cada dia cantidades colosas de quimicos.
Materiales educativos y sitios web sobre química verde (10,11)

Actualmente se cuenta con varios sitios web y materiales educativos que poseen información gratuita y de gran utilidad en la enseñanza de la química verde. A continuación se dan a conocer las fuentes mas conocidas e importantes en esta área de la química.

1) La base de datos GEMs desarrollada por la universidad de Oregón (http://greenchem.uoregon.edu/Pages/Search.php)

2) Greening across the chemistry curriculum home page (http://academic.scranton.edu/faculty/CANNM1/dreyfusmodules.html)

3) Instituto de química verde de la sociedad Americana de química (http://portal.acs.org/portal/acs/corg/content?_nfpb=true&_pageLabel=PP_TRANSITIONMAIN&node_id=830&use_sec=false&sec_url_var=region1&__uuid=100cced5-9ff2-424c-89ce-7947c7acaf21)

4) The green chemistry expert system (GCES) diseñada por la EPA (http://www.epa.gov/gcc/pubs/tools.html)

5) The green chemistry assistant (GCA) elaborada por St. Olaf College juntamente con EPA (http://fusion.stolaf.edu/gca/)
7) Green chemistry resources (http://www.epa.gov/greenchemistry/)
8) Green chemistry network (http://www.rsc.org/chemsoc/gcn/index.htm)
9) Sustainability in the organic chemistry lab course (http://www.oc-praktikum.de/?lang=en)
Becas para estudiar o capacitarse en química verde (10)
Informacion sobre talleres, simposios y conferencias sobre quimica verde puede encontrar en los siguientes links:
4) Center for Workshops in Chemical Sciencies (http://chemistry.gsu.edu/CWCS/)

Referencias
1) http://en.wikipedia.org/wiki/World_population (Sitio web accedido el 15 de Junio del 2009)
2) http://www.epa.gov/TRI/tridata/tri07/brochure/brochure.htm#others (Sitio web accedido el 20 de Junio del 2009)
3) P. T. Anastas and J.C. Warner, “Green Chemistry, theory and practice” (1998), Oxford, Great Britain
4) S. K. Ritter, C& EN, 2008, August 18, 59-68
5) V. H. Grassian, G. Meyer, et al, Environmental Science & Technology, 2007, July 15, 4840-4846
6) P. Tundo, V. Esposito, “Green Chemical Reactions” (2008), Springer, The Netherlands
7) P.T Anastas and J.B. Zimmerman, Environmental Science & Technology, 2003, March 1, 95A-101A
8) R. Mestres, Environ Sci & Pollut Res, 2005, 12 (3) 128 – 132
9) Y. He, L. Tang, X. Wu, X. Hou and Y. Lee, Applied Spectroscopy Reviews, 2007, 42, 119-138
10) D. L. Hjeresen, D.L. Schutt and J.M. Boese, Journal of Chemical Education, 2000, 77(12), 1543-1547
11) P. T. Anastas and I. J. Levy and K. E. Parent, “Green Chemistry Education: changing the course of chemistry” (2009), ACS, USA

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