Tema 3

UNIDAD TEMÁTICA 3
QUÍMICA VERDE
3.1. Introducción
La preocupación de los químicos por las cuestiones medioambientales ha hecho que en los últimos
años surja todo un nuevo enfoque dentro de la Química, en general, y de la Química Orgánica en
particular, que tiene por objetivo prevenir o minimizar la contaminación desde su origen, tanto a
escala industrial como en los laboratorios de investigación o de carácter docente. Es lo que se
denomina Química verde. La Química Verde supone un paso más allá de lo que sería el mero hecho
de un correcto tratamiento de los residuos potencialmente contaminantes que pueden generarse,
como es evitar la formación de desechos contaminantes y propiciar la economía de tiempo y
recursos.
La Química Verde o Química beneficiosa para el medio ambiente se ocupa del diseño de productos
y procesos químicos que reducen o eliminan el uso y producción de sustancias peligrosas.
Las tecnologías de la Química Verde pueden clasificarse en alguno de los siguientes enfoques:
1
Hacer verde las condiciones de reacción en la síntesis tradicional, por ejemplo, sustituir un
disolvente orgánico por agua, o no usar disolventes, o emplear métodos que requieran menores
tiempos de reacción, con el consiguiente ahorro de tiempo y energía.
2
Hacer verde una síntesis que emplea una sustancia tradicional, por ejemplo, cambiar materias
procedentes de reservas petroquímicas por una biomasa.
3
Usar procesos catalíticos en lugar de reactivos estequiométricos, en los que además los
catalizadores puedan reciclarse.
4
Sintetizar nuevas sustancias con las mismas propiedades que otras a las que puedan sustituir,
pero menos tóxicas. Por ejemplo, el uso de plaguicidas que sean tóxicos sólo sobre los organismos a
los que se aplican, y que al biodegradarse produzcan sustancias beneficiosas sobre el medio
ambiente.
El diseño de productos y procesos medioambientales benignos debe guiarse con los doce principios
de la Química Verde, que se basan en:
1
Prevención: es preferible evitar la producción de un residuo que tratar de limpiarlo una vez que
se haya formado.
2
Economía atómica: los métodos de síntesis deberán diseñarse de manera que incorporen al
máximo en el producto final todos los materiales usados durante el proceso, minimizando la
formación de subproductos.
3
Uso de metodologías que generen productos con toxicidad reducida: siempre que sea posible,
los métodos de síntesis deberán diseñarse para utilizar y generar sustancias que tengan poca o
ninguna toxicidad, tanto para el hombre como para el medio ambiente.
4
Generar productos eficaces pero no tóxicos: los productos químicos deberán ser diseñados de
manera que mantengan la eficacia a la vez que reduzcan su toxicidad.
5
Reducir el uso de sustancias auxiliares: se evitará, en lo posible, el uso de sustancias que no
sean imprescindibles (disolventes, reactivos para llevar a cabo separaciones, etc.), y en el caso de
que se utilicen que sean lo más inocuos posible.
6
Disminuir el consumo energético: los requerimientos energéticos se catalogarán por su impacto
medioambiental y económico, reduciéndose todo lo posible. Se intentará llevar a cabo los métodos
de síntesis que requieran temperatura y presión ambientes.
7
Utilización de materias primas renovables: la materia prima ha de ser preferiblemente
renovable en vez de agotable, siempre que sea técnica y económicamente viable.
8
Evitar la derivatización innecesaria: se evitará en lo posible la formación de derivados (grupos
de bloqueo, de protección-desprotección, modificación temporal de procesos físico-químicos).
9
Potenciación de la catálisis: se emplearán catalizadores (lo más selectivos posible)
reutilizables, en lugar de reactivos estequiométricos.
10 Generar productos biodegradables: los productos químicos se diseñarán de tal manera que al
finalizar su función no persistan en el medio ambiente, sino que se transformen en productos de
degradación inocuos.
11 Desarrollar metodologías analíticas para la monitorización en tiempo real: se desarrollarán
metodologías analíticas que permitan una monitorización y control del proceso en tiempo real,
previo a la formación de sustancias peligrosas.
12 Minimizar el potencial de accidentes químicos: las sustancias empleadas en los procesos
químicos se elegirán de forma que se minimice el riesgo de accidentes químicos, incluidas las
emanaciones, explosiones e incendios.
3.1.1 Síntesis de chalconas sin disolvente
Las chalconas son compuestos que pueden tener importantes aplicaciones en medicina. Por ello se
han desarrollado muchas síntesis a lo largo del tiempo para su preparación. La que aquí se detalla se
encuentra dentro de los postulados de la Química verde, y se realiza sin disolvente.
Cuestionario previo a la realización de la práctica
1
Escriba la ecuación química de la reacción que va a realizar.
2
Escriba su mecanismo de reacción.
3
¿En qué principios de la química verde se basa el experimento que va a realizar?
Sección experimental
Reactivos y disolventes
4-Metilbenzaldehído, acetofenona, NaOH en lentejas, etanol, tolueno.
Material
Un mortero pequeño y la mano correspondiente, embudo de placa, dedo para filtrar, embudo,
erlenmeyer de 50 ml (2 unidades), vaso de 50 ml.
Procedimiento experimental
Se añade 10 mmol de 4-metilbenzaldehído, 10 mmol de acetofenona y 0´8 gramos de NaOH sólido
(aproximadamente dos lentejas) al mortero y la mezcla se tritura con la mano del mortero durante
10 minutos. Habitualmente, a los pocos segundos de iniciar la trituración, la mezcla de reacción se
vuelve amarilla y pastosa. Se continúa triturando hasta que solidifique y se formen partículas
pequeñas. Se añaden entonces 20 ml de agua destilada, removiendo bien con la mano del mortero o
una espátula. La suspensión se filtra a vacío recogiendo el sólido. Se añaden al mortero 10 ml más
de agua para arrastrar los restos de producto y se filtran a vacío en el mismo embudo. El producto
puede lavarse en el embudo con 5 ml adicionales de agua destilada y se deja secar.
Precaución
Este producto es irritante. En caso de contacto con los ojos lávese con abundante agua.
Se mide el punto de fusión del crudo de reacción y se realizan los espectros de IR y RMN, estos
últimos en disolución de CDCl3.
El crudo de reacción se recristaliza de etanol, de etanol-tolueno o de etanol-agua.
Del producto puro obtenido de la cristalización se mide el punto de fusión, y se realizan los
espectros de IR y de RMN, estos últimos en disolución de CDCl3.
Bibliografía
1
Palleros, D.; J. Chem. Educ., 2004, 81, 1345.
Temas para trabajos
Procesos industriales basados en los principios de la Química Verde.
Cuestionario sobre la práctica realizada
1
Haciendo uso del espectro de RMN de protón indique cuál es la geometría del doble enlace de
la chalcona.
2
Compare el espectro de RMN de protón del crudo de reacción con el espectro de RMN de
protón de la chalcona después de la cristalización. Indique el desplazamiento químico, la
multiplicidad y la constante de acoplamiento de las señales que se observan en el RMN de protón
del crudo de reacción que no pertenezcan a la chalcona. Estas señales pertenecen a un producto
secundario de la reacción. Proponga una estructura para dicho producto.
3
Proponga un mecanismo que explique cómo se forma el producto minoritario de esta reacción.
4
Busque en la bibliografía otros métodos de preparación de chalconas. Describa uno de ellos y
compárelo con el que ha llevado a cabo en este laboratorio.
3.1.2 Reacción de condensación de Knoevenagel en agua
Las reacciones de condensación en las que intervienen grupos carbonilo son muy utilizadas en
síntesis orgánica, por lo que también se han estudiado en condiciones que cumplan los requisitos de
la Química Verde.
Cuestionario previo a la realización de la práctica
1
Escriba la ecuación química de la reacción que va a realizar.
2
Escriba su mecanismo de reacción.
3
¿En qué principios de la química verde se basa el experimento que va a realizar?
Sección experimental
Reactivos y disolventes
Benzaldehído, malononitrilo.
Material
Erlenmeyer de 10 ml (2 unidades), embudo de placa, dedo para filtrar.
Procedimiento experimental
A una disolución agitada de malononitrilo (264 mg, 4 mmol) en agua (10 ml) se añade benzaldehído
(424 mg, 4 mmol) rápidamente y todo de una vez. La mezcla de reacción se agita a temperatura
ambiente hasta la formación de un sólido blanco, que se aísla por filtración a vacío y se seca en el
mismo embudo.
Precaución
Este producto es irritante. En caso de contacto con los ojos lávese con abundante agua.
Se mide el punto de fusión del producto y se realizan los espectros de IR y RMN, estos últimos en
disolución de CDCl3.
Bibliografía
1
Deb, M. L., Bhuyan, P. J.; Tetrahedron Lett. 2005, 46, 6453.
Cuestionario sobre la práctica realizada
1
Busque en la bibliografía otros métodos de preparación de bencilidenmalononitrilo. Describa
uno de ellos y compárelo con el que ha realizado a cabo en este laboratorio.
2
¿Cómo transformaría bencilidenmalononitrilo en en ácido cinnámico?