domingo, 27 de setiembre de 2009

Medidores de la eficacia de un proceso químico: ¿Cual es mejor?

Rogelio Siles, Ph.D
Quimico Medicinal
The Johns Hopkins University
Baltimore, Maryland, USA
resiles@yahoo.com

Tradicionalmente los químicos sintéticos y en particular los orgánicos usan reacciones y condiciones que les permitan obtener un producto con máximo rendimiento y elevada selectividad tanto como sea posible. Esta tarea por lo corriente implica usar un exceso estequiometrico de más de un reactivo (1). Por si fuera poco, en la etapa de aislamiento y purificación del producto se usan auxiliares químicos adicionales (reactivos y/o solventes) que contribuyen más con los desechos al final de la reacción incrementando así el costo final de producción del compuesto (costo de síntesis mas costo de tratamiento de desperdicios químicos) y causando un mayor impacto ambiental.

Con el advenimiento de los 12 principios de la química verde (2-5) emitido por P. Anastas y J.C. Warner en 1998 se incentivo a la comunidad química a tomar mas conciencia ambiental en el diseño, planificación y ejecución de la síntesis de productos químicos. En los últimos 15 años se han publicado muchos trabajos sobre la optimización de reacciones químicas ya sea desarrollando catalizadores químicos (6, 11-12), biológicos o simplemente creando nuevos procedimientos sintéticos que reduzcan o eviten el uso de compuestos tóxicos y/o la generación de desperdicio químico. Adicionalmente, otros trabajos de investigación se concentraron en el desarrollo de procesos que permitan la conversión y el uso de materias primas renovables como biomasa para usarlos como materiales de partida en los procesos químicos. Si bien ahora el químico ya cuenta con mas herramientas para desarrollar rutas sintéticas mas “verdes” (benignas por diseño) y eficientes, aun queda pendiente la pregunta de ¿cómo el puede decidir por la ruta sintética más eficiente y conveniente desde el punto de vista ambiental, económico? Para responder a esta pregunta es necesario contar con ciertos medidores que nos permitan cuantificar la eficacia de varias estrategias sintéticas y compararlas entre ellas. En este post deseo hacer una introducción de los medidores de reaccion mas usados e ilustrar sus definiciones y aplicaciones con un ejemplo sencillo de una reacción de una etapa. En un futuro post mostrare como estos medidores se calculan para síntesis lineales y convergentes y como ellos se usan para decidir por el proceso mas conveniente entre varias opciones.

En 1991 Barry M. Trost de la universidad de Stanford publico en Science un articulo trascendental titulado “La economía atómica: Una búsqueda de la eficiencia sintética” en el cual menciona la necesidad de crear reacciones catalíticas selectivas que formen el producto con todos o la mayor parte de los átomos presentes en los reactivos usados (6). En su definición más simple, la economía atómica (AE) es un medidor de la cantidad de reactivo que se incorpora en el producto. Así un porcentaje de AE de 100% significa que absolutamente todos los reactivos forman parte de la estructura del producto. Un 30% AE significa que solo el 30% de la cantidad estequiometrica teórica de los reactivos se incorporo en la estructura del producto. El restante 70% de la cantidad inicial usada constituye coproductos o subproductos que se formaron en la reacción y en caso de no ser reciclados son considerados simplemente desecho químico. Si bien la AE es un buen medidor para hacer una evaluación rápida de las cantidades de desperdicio, al hacer uso de la misma hay que tener en cuenta las siguientes limitaciones (7-9): a) el calculo se hace en base a 100% de rendimiento (no toma en cuenta conversiones incompletas) b) se usa cantidades estequiometricas exactas (no considera exceso de reactivos) c) no se toma en cuenta auxiliares químicos como solventes, catalizadores, reactivos para el work-up, etc que no aparecen en la reacción balanceada. Para ilustrar matemáticamente la definición de AE y de otros medidores consideremos la siguiente reacción hipotética de una etapa mostrada arriba.

Como se puede apreciar, la formación del producto P viene acompañado de la formación del co-producto R y entonces deberíamos esperar que el % AE sea menor a 100. Matemáticamente el porcentaje de AE calculamos de la siguiente manera (7, 10):

% AE= (p*MWp*100) / (a*MWa + b*MWb)


Trost menciona que las reacciones altamente económicas son las reacciones de adición simple, las cicloadiciones y los rearreglos moleculares. Por el contrario, las reacciones de sustitución o de eliminación son reacciones de baja economía atómica (1). Las reacciones ideales entonces serian aquellas reacciones de adición que usen cantidades catalíticas de reactivos (lo cual ayuda a disminuir la generación de desecho y tratamiento) y formen el producto con elevado rendimiento, selectividad y 100 % AE (12). Las reacciones catalizadas por metales de transición interna son un ejemplo representativo de este tipo de reacciones de alta economía atómica las cuales son usadas en la formación de sistemas cíclicos, adiciones inter e intramoleculares, promovedores de cicloisomerizaciones, etc. (6,11-12) y en la actualidad constituyen un tópico importante de investigación.

A finales de los 80s, Roger Sheldon introdujo por primera vez el concepto de factor E (Environmental factor, E-Factor) el cual simplemente es un medidor de la cantidad de desperdicio producido en un proceso químico con respecto a la cantidad de producto formado (13). Por desecho entendemos como todo el material residual al final del proceso químico que no fue reciclado o reusado. Así entonces el desecho consistirá de reactivos en exceso, solventes, catalizadores, subproductos, aditivos usados en el aislamiento y purificación, etc. Sin embargo vale la pena aclarar que el agua usada en el proceso global (por ejemplo en el aislamiento) no es incorporada en el cálculo por ser considerada inocua y además para poder obtener resultados significativos (9). La definición matemática más sencilla del E-factor es:


E-factor = S (Kg) / z*MWp (Kg)

Donde S es la cantidad en Kilogramos de desperdicio producido por cada kilogramo de producto formado. Como puede deducirse de la formula, un valor alto de E significa que el proceso produjo bastante desecho y por lo tanto causa mayor impacto ambiental. En teoría, las reacciones verdes ideales son aquellas que tienen un E-factor de cero. La manera mas practica de calcular E-factor a nivel experimental es simplemente restando de la cantidad de materia prima usada (input of raw material) la cantidad de producto formado y dividiendo esta diferencia por la cantidad de producto formado (9).
A parte de estos dos medidores importantes (AE y E-factor), otros medidores alternativos se han propopuesto para poder medir la eficiencia de una reacción. A continuación se dan las definiciones de los mas importantes:

Experimental Atom Economy (Exp. AE):

% Exp. AE= (p*MWp*100) / (x*MWa + y*MWb)

Este medidor a diferencia de AE calcula la razon entre el rendimiento teorico y la masa experimental usada de los reactivos. Si consideramos que uno o mas de los reactivos estan en exceso entonces deberiamos esperar que %AE sea menor que el valor teorico de %AE.

Mass Intensity (MI)

(MI) = masa total usada en el proceso (Kg) / masa de producto (Kg)

MI= Mt / z*MWp

Considerando que Mt = S + z*MWp y dividiendo ambos miembros de esta ecuación por z*MWp obtenemos:

MI = E-factor + 1

Como se puede deducir de la formula, un valor ideal de 1 significa cero de desperdicio y por tanto MI indica que la reacción es ambientalmente benigna. Por el contrario valores mayores a 1 indican que la reacción produce desperdicios en un grado definido por E-factor.

% Carbon efficiency (CE):


(CE) = (z* #carbonos producto * 100) / (x* #carbonos en A + y* #carbonos en B)

Este medidor simplemente da cuenta de la cantidad de carbonos incorporados en el producto con respecto a los materiales de partida (tomando en cuenta los números de moles experimentales usados).

Mass productivity (MP), Generalized reaction mass effciency (gRME) o Process mass efficiency (PME):

MP = z*MWp / Mt = 1/ MI

Como se puede observar, este medidor indica la fracción que el producto representa con respecto al total de la materia prima usada (Mt) en todo el proceso. Comúnmente se expresa como porcentaje.

Reaction mass efficiency (RME) o Selectivity (S):

RME = (z*MWp *100) / (x*MWa + y*MWb)

Este medidor da cuenta de la masa de reactivos que se encuentran presentes en el producto. Como se puede apreciar, a diferencia del % AE, este medidor toma en cuenta las cantidades experimentales usadas de los reactivos y la cantidad de producto obtenido (lo cual incluye el rendimiento de la reacción y el exceso de reactivos).

A manera de ilustrar y ver de manera practica el uso de estos medidores, consideremos la siguiente reacción de formación del 4-metilbenzensulfonato de benzilo:


AE= (262.29 * 100) / (108.1 + 190.65 + 101.19) = 66 % de economía atómica


CE= (0.09 * 14 * 100) / [(0.10*7) + (0.115*7) + (0.149*6)] =69 % de eficiencia de carbono


RME= (23.6*100)/ (10.81+21.9+15) = 49 % de la masa total de reactivos usados


MI= (10.81+ 21.9+ 15+ 500) / 23.6 = 23.2 g/g = 23.2 Kg masa total / Kg producto formado


MP= 100/ MI = 4.3% de la masa total de todos los reactivos, solventes y auxiliares usados


E-factor= MI – 1 = 23.2 -1 = 22.2 Kg desecho generado / Kg producto formado


¿Cuál es el mejor medidor?

Para poder responder a esta pregunta todo depende que etapa del proceso estamos tomando en cuenta (14) y que resultados deseamos obtener. Por ejemplo, en la etapa inicial en la cual el quimico disena y planifica la ruta sintetica el aspecto mas importante que debe ser considerado es si qualitativamente la(s) reaccion(es) formara(n) el producto con elevado rendimiento desde el punto de vista quimio, regio y esteroselectivo. Si suponemos que se tiene mas de una reaccion con el mismo rendimiento el medidor mas apropiado de usar seria el %AE. La reaccion con mayor valor de AE seria aquella que la considerariamos mas eficiente a este nivel (produciria menos desecho y mayor cantidad de los reactivos estarian presentes en el producto).

En el segundo nivel de analisis en el cual consideramos las cantidades experimentales de los reactivos, los medidores a tomar en cuenta serian el %Exp.AE y RME. Entre estos dos, posiblemente el ultimo constituye el mejor debido a que toma en cuenta el rendimiento y las cantidades experimentales de los reactivos usados. Un mayor valor de RME nos indicaria que esa reaccion seria mas eficiente a este nivel (menor exceso de reactivos y mayor rendimiento experimental). Si la reaccion seria 100% AE y obtuvieramos 100% de rendimiento sin exceso de reactivos el valor maximo de RME seria de 1 (100%), tipico de una reaccion ideal eficiente.

En el tercer nivel de analisis de un proceso sintetico se debe tomar en cuenta los solventes, auxiliares y otros reactivos usados en la etapa de aislamiento y purificacion del producto. Como se puede notar en los dos anteriores niveles los medidores usados no toman en cuenta estas cantidades en su calculo. Los medidores que se usan aca son E-Factor, MI y MP. Posiblemente el mejor medidor es el primero debido a que da una idea directa acerca de la cantidad de desecho global que se genera cuando se forma el producto. Idealmente una reaccion con E-factor de 0 seria la mas eficiente.

Es necesario senalar que la optimizacion de una reaccion o en general de un proceso quimico complejo depende asi mismo de otros parametros como ser la temperatura, tiempo de reaccion, velocidad de agitacion, velocidad de adicion de reactivos, etc. Otros aspectos no tecnicos tambien influyen en la toma de decision como aspectos economicos, politicos y sociales. Sin embargo, el conocimiento de estos medidores son de gran ayuda no solo para el quimico experimental sino tambien para el quimico de procesos e Ingenieros quimicos. Si vemos el proceso global desde un punto de vista mas ambiental (verde) es necesario tener un dominio de todos los medidores pues en definitiva nos daran una idea de cuan benigno y costoso todo el proceso podria ser y que implicaciones podria tener para nuestra sociedad. La experiencia ha demostrado que en la actualidad es en muchos casos mas conveniente dejar de usar las antiguas reacciones clasicas (ineficientes) y enfocarse mas en desarrollar nueva metodologia sintetica que permitan obtener no solo el producto en forma mas eficiente sino mas barata y verde. Espero que este post sea de incentivo para las nuevas generaciones de quimicos que puedan desarrollar este tipo de reacciones (green reactions) para el bien de la humanidad y de nuestro planeta en general.

REFERENCIAS

(1) C.J. Li and B.M. Trost, PNAS, 2008, 105(36), 13197-13202
(2) P. T. Anastas and J.C. Warner, “Green Chemistry, theory and practice” (1998), Oxford, Great Britain
(3) P. T. Anastas and I. J. Levy and K. E. Parent, “Green Chemistry Education: changing the course of chemistry” (2009), ACS, USA
(4) S.L.Y. Tang, R.L. Smith and M. Poliakoff, Green Chemistry, 2005, 7, 761-762 (5) http://bpnquimica.blogspot.com/2009_06_01_archive.html
(6) B.M. Trost, Science, 1991, 254, 1471-1477
(7) Marco Eissen et al, Helvetica Chimica Acta, 2004, 87, 524-535
(8) D.J.C Constable, A.D. Curzons and V.L. Cunningham, Green Chemistry, 2002, 4, 521-527
(9) Roger A. Sheldon, Chem. Commun., 2008, 3352-3365
(10) Jacques Auge, Green Chemistry, 2008, 10, 225-231
(11) B.M. Trost, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 1995, 34, 259-281
(12) B.M. Trost, Acc. Chem. Res., 2002, 35(9), 695-705
(13) Roger A. Sheldon, Green Chemistry, 2007, 9, 1273-1283

(14) http://fusion.stolaf.edu/gca/ (accedido 1/17/2010)

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