Potenciais otimizações de reações de laboratório - Regras básicas
para sínteses sustentáveis
Durante a investigação de algumas reações do NOP, alguns pontos fracos podem ser
identificados. Estes pontos fracos afetam, particularmente, a energia e o consumo de recursos
das reações de laboratório. Por meio de algumas ações “simples” de identificação dos pontos
fracos durante o planejamento de uma reação muitos problemas podem ser reduzidos ou
evitados. Com este propósito foram criadas as “regras básicas para sínteses sustentáveis”[1].
As regras podem contribuir para um pensamento holístico, ou seja, incluindo processos
preliminares e posteriores, e também para melhorar a sustentabilidade de uma reação a partir
de um ponto de vista ecológico.
Regras básicas para sínteses sustentáveis - minimizando o consumo de
energia
O impacto ambiental das reações de laboratório é afetado substancialmente pelo consumo de
energia elétrica durante o processo experimental e pelo efeito ambiental causado pelo
fornecimento desta energia. O elevado consumo de energia da reação examinada tem sua
causa predominantemente na elevada perda de energia no ambiente durante a síntese. Nas
“regras básicas para sínteses sustentáveis” são definidas quais aplicações levam à redução de
perdas de energia dentro de um laboratório.
Isolamento térmico
O sistema experimental deve ser isolado do melhor modo
possível.
Regra básica 1: isolamento térmico
O coeficiente de transferência de calor (k) pode ser reduzido através de um sistema de
isolamento. O isolamento leva a uma menor transferência de calor para o ambiente e, assim,
para uma redução nas perdas de energia. Esta perda pode ser diminuída, posteriormente,
através da redução do gradiente de temperatura entre o meio reacional e o ambiente.
Considerando que as perdas de energia são também dependentes do tempo, a duração de um
experimento é de grande importância para a sua redução. Por esta razão, é essencial um
conhecimento exato do processo de reação.
1
condições experimentais
A temperatura da reação, bem como a sua duração, deve ser
limitada a um grau necessário.
Regra básica 2: condições experimentais
Outro parâmetro que afeta a perda de energia é a superfície do equipamento que separa a
mistura de reação do ambiente. Quanto menor a superfície, menor a perda de energia por
condução ou por convecção de calor. A relação entre a superfície e o volume deve ser
cuidadosamente escolhida.
escolha do equipamento
O sistema experimental deve ser adaptado para a quantidade
planejada.
Regra básica 3: escolha do equipamento
As diferenças no consumo de energia com os diferentes métodos de fornecimento de energia
podem ser traçadas para as duas regras apresentadas anteriormente – isolamento e condições
experimentais. Considerando que o completo isolamento de um meio de aquecimento,
geralmente, não é possível, os métodos de fornecimento de energia mais favoráveis devem ser
preferidos.
fornecimento de energia
O uso de manta de aquecimento deve ser preferido ao uso de
aquecimento com banho de óleo. Novos métodos de
fornecimento de energia (p. ex., radiação micro-ondas ou ultrasom) podem apresentar efeitos positivos.
Regra básica 4: fornecimento de energia
Além das perdas de energia por transferência de energia térmica para o ambiente, existem
outros fatores que podem contribuir para o consumo de energia em um laboratório de síntese.
Desta forma, materiais auxiliares afetam a necessidade de energia para o aquecimento e a
manutenção da temperatura da reação.
cp materiais auxiliares
Materiais auxiliares devem ter como característica uma
capacidade de aquecimento específica, o mais baixa possível.
Regra básica 5: capacidade de aquecimento específica de materiais auxiliares
2
Entre os materiais auxiliares, especial atenção deve ser dada para os solventes, uma vez que
estes normalmente representam uma grande parte da mistura reacional. Por esta razão os
requisitos para os solventes são colocados em suas próprias regras básicas.
cp solvente
Os solventes serão selecionados de tal forma que possuam uma
pequena capacidade de calor específico e uma baixa
temperatura necessária para a reação.
Regra básica 6: capacidade de calor específico de um solvente
O uso de materiais auxiliares pode ser otimizado com respeito ao consumo de energia de outra
forma: A correlação dos recursos e consumo de energia é muito importante.
Regras básicas para uma síntese sustentável - minimizando consumo de
recursos e energia
O uso extensivo de materiais auxiliares dentro da reação e processamento afeta negativamente
o consumo de recursos. Além disso, a quantidade de materiais auxiliares utilizada contribui
para o consumo de energia - por exemplo, pela necessidade de energia adicional para o
aquecimento. Isto afeta o consumo de recursos e de energia na pré-produção, que é importante
do ponto de vista holístico. Frequentemente, materiais auxiliares são usados em excesso.
quantidade de materiais auxiliares
A quantidade de materiais auxiliares devem ser reduzidas para
quantidades realmente necessárias.
Experimentos preliminares auxiliam a determinar a quantidade
correta. Se possível a remoção de materiais auxiliares deve ser
integrada na reação.
Regras básicas 7: quantidades de materiais auxiliares
A água utilizada para o resfriamento é de grande importância – similarmente ao solvente –
devido sua porção no consumo de materiais.
3
água de resfriamento
A fluxo de água de resfriamento deve ser ajustado para o
mínimo necessário. O uso circulação de água de resfriamento
em uma reação pode afetar o impacto ambiental de forma
positiva.
Regra básica 8 : água de resfriamento
O consumo de água de resfriamento deve ser reduzido pelo uso de um circuito de resfriamento
ou de um criostato que, entretanto, aumenta o consumo de energia. Se for necessário o uso de
gelo para o resfriamento de reações, o seu uso deve ser limitado da mesma forma devido ao
elevado consumo de energia requerida para a sua produção.
gelo
O gelo usado para o resfriamento das reações deve ser usado
considerando
os
aspectos
de
segurança
e
viabilidade
econômica.
Regra básica 9: gelo
Além da quantidade de material usado, suas características também influenciam no impacto
ambiental de um laboratório de síntese. No item a seguir são formuladas algumas regras
básicas para a redução dos impactos ambientais. Neste caso, o interesse é focado nos materiais
auxiliares.
Regras básicas para a síntese sustentável - minimizando potenciais de
toxicidade
A criação de regras para a minimização do potencial tóxico de extratos não é levada em
consideração. Uma otimização para a utilização de matérias-primas não tóxicas é desejável,
mas a variação dos extratos para a síntese de certos composto nem sempre é possível.
Os problemas com a seleção dos materiais auxiliares usados são menos significantes. Neste
caso, a consideração do efeito tóxico potencial parece mais simples.
Toxicidade dos solventes
Na seleção dos solventes devem ser considerados também os
seus potenciais toxicológicos. As substâncias não devem
atingir o ambiente.
Regra básica: toxicidade dos solventes
4
toxicidade dos materiais auxiliares
Na seleção dos materiais auxiliares seus potenciais
toxicológicos devem ser considerados. Depois do
uso estes materiais devem ser reciclados ou
dispostos em locais ambientalmente corretos.
Regra básica 11: toxicidade dos materiais auxiliares
Como mencionado em capítulos anteriores, um alto impacto ambiental pode ser originado,
também, a partir de processos preliminares e posteriores de uma reação. Uma consideração da
pré-produção dos extratos e materiais auxiliares designados de uma síntese pode ajudar a
reduzir o impacto ambiental a partir de um ponto de vista holístico.
Regras básicas para a síntese sustentável - considerações sobre a préprodução
Freqüentemente dentro de produção de substâncias químicas, diferentes impactos ambientais
podem ser causados dependendo da complexidade das moléculas. Muito freqüentemente,
estes impactos ambientais não são influenciáveis. Entretanto, os cientistas podem reduzir as
quantidades de reagentes necessárias para a reação. Os esforços para fornecer fluxos
equilibrados para diferentes substâncias químicas têm aumentado com o passar dos anos.
Assim, a consideração da pré-produção de extratos e materiais auxiliares será mais simples no
futuro. A otimização das reações é possível pela seleção de materiais com pequenos impactos
ambientais na pré-produção.
pré-produção
As quantidades de extratos e materiais auxiliares em processos
preliminares serão selecionadas durante a seleção do material.
Regra básica 12: consideração dos processos preliminares
Na Tabela a seguir (Tab. 1) todas as “regras básicas para uma síntese sustentável” são
resumidas e apresentadas novamente. Adicionalmente, cada regra básica é acompanhada de
um pictograma que simplificará sua aplicação, da mesma forma que ocorre com os símbolos
de perigo.
A consideração destas regras pode ajudar a reduzir o consumo de recursos e energia das
reações de laboratório assim como a redução dos impactos ambientais. Além disso, as
5
decisões futuras dos fabricantes podem ser sensibilizadas para o interesse de desenvolvimento
sustentável através da aplicação consistente das “regras básicas pra uma síntese sustentável”
no treinamento.
isolamento térmico
O sistema experimental deve ser isolado termicamente do melhor
modo possível.
condições experimentais
A temperatura da reação, bem como a sua duração, deve ser
limitada a um grau necessário.
escolha do equipamento
O sistema experimental deve ser adaptado para a quantidade
planejada.
fornecimento de energia
O uso de manta de aquecimento deve ser preferido ao uso de um
aquecimento com banho de óleo. Novos métodos de
fornecimento de energia (por exemplo, radiação microondas ou
ultra-som) podem apresentar efeitos positivos.
cp materiais auxiliares
Materiais auxiliares devem ter como característica uma
capacidade de aquecimento específica, o mais baixa possível.
cp solvente
Os solventes serão selecionados de tal forma que possuam uma
pequena capacidade de calor específica e uma baixa temperatura
necessária para a reação.
quantidade de materiais
auxiliares
A quantidade de materiais auxiliares devem ser reduzidas para
quantidades realmente necessárias. Experimentos preliminares
auxiliam a determinar a quantidade correta. Se possível a
remoção de materiais auxiliares deve ser integrada na reação.
água de resfriamento
A fluxo de água de resfriamento deve ser ajustado para o mínimo
necessário. O uso circulação de água de resfriamento em uma
reação pode afetar o impacto ambiental de forma positiva.
gelo
O gelo usado para o resfriamento das reações deve ser usado de
forma que a segurança e a viabilidade econômica sejam
consideradas.
toxicidade dos solventes
Na seleção dos solventes devem ser considerados também os
seus potenciais toxicológicos. As substâncias não devem atingir o
ambiente.
toxicidade dos materiais
auxiliares
Na seleção dos materiais auxiliares seus potenciais toxicológicos
devem ser considerados. Depois do uso estes materiais devem ser
reciclados ou dispostos em locais ambientalmente corretos.
6
pré-produção
As quantidades de extratos e materiais auxiliares em processos
preliminares serão selecionadas durante a seleção do material.
Tab.1Regras básicas para síntese duradouras
[1] Diehlmann, A., Kreisel, G., Gorges, R. (2003). Contribution to “Developing
Sustainability” in Chemical Education. The Chemical Educator, 8
7