Universidade do Brasil - UFRJ
Faculdade de Farmácia – Departamento de Fármacos
Disciplina: Tecnologia Químico-Farmacêutica (FFI – 406)
Química Industrial farmacêutica (FFI – 012)
A química verde
Nuria Cirauqui Díaz ([email protected])
Abril 2012
Introdução
Introdução
Toxics 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
Menor gasto
Eficiência
Ex. Ausência total de
produtos tóxicos
Prevenção
Chemical
Process
Prevenção
Pollution Prevention Hierarchy
Prevention & Reduction
Recycling & Reuse
Treatment
Disposal
Prevenção
HCl, AcOH, Al
AcOH
NH3
HCl
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
Sínteses verde
Baixa eficiência: reações de eliminação, acilação de Friedel-Crafts, além da
reação deWittig, reações estequiométricas de uma maneira geral
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
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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
Heating
Cooling
Stirring
Distillation
Compression
Pumping
Separation
Energy
Requirement
(electricity)
GLOBAL
WARMING
Burn
fossil
fuel
CO2 to
atmosphere
Os doze princípios
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Fontes renováveis de MP
Sempre que técnica- e economicamente viável, a utilização de matériasprimas 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
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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 seletivas
mais econômicas (reciclar e reutilizar o catalisador por várias vezes).
redução na formação de sais inorgânicos
Catálise
5-8% do N2O antropogênico
lançado na atmosfera
Agente oxidante
Agente oxidante
Catálise de transferência de fase
Usado na
fabricação de
Nylon
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
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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
Análise em tempo real
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.
Técnicas usadas: FTIR, Raman, UV-Visible, MS, NMR, HPLC,...
Monitoramento in-line: medições realizadas sem a remoção da amostra da
linha de processo.
Técnicas usadas: FTIR, Raman, UV-Visible, pH, redox, FBRM (Focused Beam
Reflectance measurements),...
Os doze princípios
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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
Conclusões
Passados 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 (ε’’) que mede a eficiência da conversão de energia
eletromagnética em calor.
Material
e’’
Gelo
0,00288
Água
12,0419
Propanol
2,479
Etinoglicol
12
Heptano
000019
CCl4
0,00088
H2O/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 microondas
Vantagens:
• 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
Sistema de
Agitação
Magnética
Circulação de gás pela
cavidade para
resfriamento rápido
da amostra
Gás Refrigerante
Leitura de Temperatura independe do Volume da
amostra
Reatores microondas
Tampa IntelliVent
Frasco de 4.0 mL
(0.1 – 2.5 mL)
Frasco de 10 mL
(0.2 – 7.0 mL)
Frasco de 35 mL
(2.5 – 25.0 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, 123129, 2003
• Microondas em síntese organica. Quím. Nova, vol 25, no 4 (2002)