Las métricas de la química verde describen aspectos de un proceso químico relacionados con los principios de la química verde . Las métricas sirven para cuantificar la eficiencia o el desempeño ambiental de los procesos químicos y permiten medir los cambios en el desempeño. La motivación para usar métricas es la expectativa de que la cuantificación de las mejoras técnicas y ambientales puede hacer que los beneficios de las nuevas tecnologías sean más tangibles, perceptibles o comprensibles. Esto, a su vez, es probable que ayude a la comunicación de la investigación y potencialmente facilite la adopción más amplia de tecnologías de química verde en la industria.
Para un no químico, un método comprensible para describir la mejora podría ser una disminución de X costo unitario por kilogramo del compuesto Y. Sin embargo, esto podría ser una simplificación excesiva. Por ejemplo, no permitiría a un químico visualizar la mejora lograda o comprender los cambios en la toxicidad del material y los peligros del proceso. Para mejoras de rendimiento y aumentos de selectividad, los porcentajes simples son adecuados, pero este enfoque simplista puede no ser siempre apropiado. Por ejemplo, cuando un reactivo altamente pirofórico se reemplaza por uno benigno, es difícil asignar un valor numérico, pero la mejora es obvia, si todos los demás factores son similares. [1]
A lo largo del tiempo se han formulado numerosos parámetros de medición. Un problema general es que cuanto más precisos y universalmente aplicables sean los parámetros de medición ideados, más complejos e inutilizables se vuelven. Un buen parámetro de medición debe estar claramente definido, ser simple, medible, objetivo en lugar de subjetivo y, en última instancia, debe impulsar el comportamiento deseado.
El objetivo fundamental de las métricas es permitir comparaciones. Si existen varias formas económicamente viables de fabricar un producto, ¿cuál causa el menor daño ambiental (es decir, cuál es la más ecológica)? Las métricas que se han desarrollado para lograr ese objetivo se dividen en dos grupos: métricas basadas en la masa y métricas basadas en el impacto.
Las métricas más simples se basan en la masa de los materiales, más que en su impacto. La economía atómica, el factor E, el rendimiento, la eficiencia de la masa de reacción y la eficiencia de la masa efectiva son todas métricas que comparan la masa del producto deseado con la masa del desecho. No diferencian entre desechos más y menos dañinos. Un proceso que produce menos desechos puede parecer más ecológico que las alternativas según las métricas basadas en la masa, pero de hecho puede ser menos ecológico si los desechos producidos son particularmente dañinos para el medio ambiente. Esta grave limitación significa que las métricas basadas en la masa no se pueden utilizar para determinar qué método sintético es más ecológico. [2] Sin embargo, las métricas basadas en la masa tienen la gran ventaja de la simplicidad: se pueden calcular a partir de datos fácilmente disponibles con pocas suposiciones. Para las empresas que producen miles de productos, las métricas basadas en la masa pueden ser la única opción viable para monitorear las reducciones de daños ambientales en toda la empresa.
En cambio, las métricas basadas en el impacto, como las que se utilizan en la evaluación del ciclo de vida, evalúan el impacto ambiental además de la masa, lo que las hace mucho más adecuadas para seleccionar la más ecológica de varias opciones o vías sintéticas. Algunas de ellas, como las de la acidificación, el agotamiento del ozono y el agotamiento de los recursos , son tan fáciles de calcular como las métricas basadas en la masa, pero requieren datos de emisiones que pueden no estar fácilmente disponibles. Otras, como las de la toxicidad por inhalación, la toxicidad por ingestión y varias formas de ecotoxicidad acuática, son más complejas de calcular además de requerir datos de emisiones. [3]
La economía atómica fue diseñada por Barry Trost como un marco mediante el cual los químicos orgánicos buscarían una química “más verde”. [4] [5] El número de la economía atómica es la cantidad de reactivos que quedan en el producto final.
Para una reacción multietapa genérica utilizada para producir R:
La economía del átomo se calcula mediante
El principio de conservación de la masa dicta que la masa total de los reactivos es la misma que la masa total de los productos. En el ejemplo anterior, la suma de las masas moleculares de A, B, C y D debe ser igual a la de R, X, Y y Z. Como solo R es el producto útil, se dice que los átomos de X, Y y Z se desperdician como subproductos. Los costos económicos y ambientales de la eliminación de estos desechos hacen que una reacción con una economía atómica baja sea "menos ecológica".
Una versión simplificada de esto es la economía del carbono , que se refiere a la cantidad de carbono que termina en el producto útil en comparación con la cantidad de carbono que se utilizó para crear el producto.
Esta métrica es una buena simplificación para su uso en la industria farmacéutica, ya que tiene en cuenta la estequiometría de los reactivos y productos. Además, esta métrica es de interés para la industria farmacéutica, donde el desarrollo de esqueletos de carbono es clave para su trabajo.
El cálculo de la economía atómica es una representación sencilla del estado de “verde” de una reacción, ya que puede llevarse a cabo sin necesidad de resultados experimentales. No obstante, puede resultar útil en el diseño de la fase inicial de síntesis del proceso.
El inconveniente de este tipo de análisis es que hay que hacer suposiciones. En un proceso químico ideal, la cantidad de materiales de partida o reactivos es igual a la cantidad de todos los productos generados y no se pierde ningún átomo. Sin embargo, en la mayoría de los procesos, algunos de los átomos de reactivos consumidos no pasan a formar parte de los productos, sino que permanecen como reactivos sin reaccionar o se pierden en algunas reacciones secundarias. Además, en este cálculo se ignoran los disolventes y la energía utilizados para la reacción, pero pueden tener impactos no despreciables en el medio ambiente.
El rendimiento porcentual se calcula dividiendo la cantidad del producto deseado obtenido por el rendimiento teórico. [6] En un proceso químico, la reacción suele ser reversible, por lo que los reactivos no se convierten completamente en productos; algunos reactivos también se pierden por reacciones secundarias no deseadas. [7] [8] Para evaluar estas pérdidas de productos químicos, el rendimiento real debe medirse experimentalmente.
Como el rendimiento porcentual se ve afectado por el equilibrio químico , permitir que uno o más reactivos estén en gran exceso puede aumentar el rendimiento. Sin embargo, esto puede no considerarse un método "más ecológico", ya que implica que una mayor cantidad del reactivo en exceso permanece sin reaccionar y, por lo tanto, se desperdicia. Para evaluar el uso de reactivos en exceso, se puede calcular el factor de reactivo en exceso .
Si este valor es mucho mayor que 1, el exceso de reactivos puede suponer un gran desperdicio de productos químicos y de costes. Esto puede ser un problema cuando las materias primas tienen costes económicos o medioambientales elevados en su extracción.
Además, el aumento de la temperatura también puede aumentar el rendimiento de algunas reacciones endotérmicas , pero a costa de consumir más energía, por lo que estos métodos también pueden no ser atractivos.
La eficiencia de la reacción es el porcentaje de la masa real del producto deseado respecto de la masa de todos los reactivos utilizados. Tiene en cuenta tanto la economía atómica como el rendimiento químico.
La eficiencia de la masa de reacción, junto con todas las métricas mencionadas anteriormente, muestra el carácter “ecológico” de una reacción, pero no de un proceso. Ninguna de las métricas tiene en cuenta todos los desechos producidos. Por ejemplo, estas métricas podrían presentar una reorganización como “muy ecológica”, pero no abordar los problemas de disolventes, procesamiento y energía que hacen que el proceso sea menos atractivo.
Una métrica similar a la eficiencia de masa de reacción es la eficiencia de masa efectiva , como lo sugieren Hudlicky et al . [9] Se define como el porcentaje de la masa del producto deseado en relación con la masa de todos los reactivos no benignos utilizados en su síntesis. Los reactivos aquí pueden incluir cualquier reactivo, solvente o catalizador utilizado.
Tenga en cuenta que cuando la mayoría de los reactivos son benignos, la eficiencia de masa efectiva puede ser mayor que el 100%. Esta métrica requiere una definición más detallada de una sustancia benigna. Hudlicky la define como “aquellos subproductos, reactivos o solventes que no tienen ningún riesgo ambiental asociado con ellos, por ejemplo, agua, solución salina de baja concentración, etanol diluido, masa celular esterilizada en autoclave, etc.”. Esta definición deja la métrica abierta a la crítica, ya que nada es absolutamente benigno (que es un término subjetivo), e incluso las sustancias enumeradas en la definición tienen algún impacto ambiental asociado con ellas. La fórmula tampoco aborda el nivel de toxicidad asociado con un proceso. Hasta que todos los datos toxicológicos estén disponibles para todos los productos químicos y se escriba un término que trate estos niveles de reactivos “benignos” en la fórmula, la eficiencia de masa efectiva no es la mejor métrica para la química.
La primera métrica general para la química verde sigue siendo una de las más flexibles y populares. El factor ambiental (factor E) de Roger A. Sheldon puede hacerse tan complejo y minucioso o tan simple como se desee y sea útil. [10]
El factor E de un proceso es la relación entre la masa de residuos y la masa de producto:
Como ejemplos, Sheldon calculó los factores E de varias industrias:
Destaca los residuos producidos en el proceso en contraposición a la reacción, ayudando así a quienes intentan cumplir uno de los doce principios de la química verde a evitar la producción de residuos. Los factores E se pueden combinar para evaluar reacciones de varios pasos paso a paso o en un solo cálculo. Los factores E ignoran los factores reciclables, como los disolventes reciclados y los catalizadores reutilizados, lo que obviamente aumenta la precisión, pero ignora la energía involucrada en la recuperación (estos a menudo se incluyen teóricamente al suponer una recuperación del disolvente del 90%). La principal dificultad con los factores E es la necesidad de definir los límites del sistema, por ejemplo, qué etapas de la producción o del ciclo de vida del producto se deben considerar antes de poder realizar los cálculos.
Esta métrica es fácil de aplicar industrialmente, ya que una instalación de producción puede medir cuánto material entra en la planta y cuánto sale como producto y residuo, lo que proporciona directamente un factor E global preciso para la planta. Los análisis de Sheldon (ver tabla) demuestran que las compañías petroleras producen menos residuos que las farmacéuticas como porcentaje del material procesado. Esto refleja el hecho de que los márgenes de beneficio en la industria petrolera les exigen minimizar los residuos y encontrar usos para productos que normalmente se descartarían como residuos. Por el contrario, el sector farmacéutico está más centrado en la fabricación y la calidad de las moléculas. Los márgenes de beneficio (actualmente) altos dentro del sector significan que hay menos preocupación por las comparativamente grandes cantidades de residuos que se producen (especialmente considerando los volúmenes utilizados), aunque hay que señalar que, a pesar de que el porcentaje de residuos y el factor E son altos, la sección farmacéutica produce un tonelaje de residuos mucho menor que cualquier otro sector. Esta tabla animó a varias grandes compañías farmacéuticas a iniciar programas de química "verde".
La métrica EcoScale se propuso en un artículo en el Beilstein Journal of Organic Chemistry en 2006 para evaluar la eficacia de una reacción sintética. [11] Se caracteriza por su simplicidad y aplicabilidad general. Al igual que la escala basada en el rendimiento, la EcoScale otorga una puntuación de 0 a 100, pero también tiene en cuenta aspectos de costo, seguridad, configuración técnica, energía y purificación. Se obtiene asignando un valor de 100 a una reacción ideal definida como "El compuesto A (sustrato) experimenta una reacción con (o en presencia de) compuesto(s) económico(s) B para dar el compuesto deseado C con un rendimiento del 100% a temperatura ambiente con un riesgo mínimo para el operador y un impacto mínimo en el medio ambiente", y luego restando puntos de penalización por condiciones no ideales. Estos puntos de penalización tienen en cuenta tanto las ventajas como las desventajas de reactivos, configuraciones y tecnologías específicas.
