Green Chemistry: criteri e applicazioni

Negli ultimi decenni l’industria chimica si è evoluta verso un diverso modo di approcciarsi allo sviluppo dei processi che tenga conto di problematiche come l’inquinamento, l’utilizzo delle risorse ambientali o le fonti rinnovabili. Da questo “nuovo modo” di vedere la chimica, si è sviluppato quello che viene oggi chiamata Green Chemistry.

Definizione di Green Chemistry

Questa nuova concezione di chimica si propone di reindirizzare l’industria chimica, su percorsi di eco-sostenibilità. Lo sviluppo sostenibile, divenuto sempre più centrale nel progresso scientifico e tecnologico nell’ultimo secolo, impone infatti alla chimica di giocare un ruolo primario nella riconversione di vecchie tecnologie in nuovi processi “puliti” e nella progettazione di nuovi prodotti e nuovi processi che siano sempre più eco-compatibili.

Poiché il problema dell’inquinamento ambientale (in particolare di aria e acqua) travalica i confini nazionali, si richiede sempre più l’adozione di politiche internazionali. Le grandi agenzie ambientali governative, la grande industria ed il mondo della chimica in generale, stanno elaborando ed assumendo un codice di comportamento che individua strategie precise per prevenire l’inquinamento.

Inoltre, data la progressiva diminuzione di combustibili fossili disponibili, la green chemistry si propone di ottimizzare il più possibile i consumi, diminuendo gli sprechi energetici nell’esecuzione di processi industriali ed utilizzando fonti energetiche rinnovabili per l’alimentazione di impianti industriali.

La moderna chimica di sintesi dipende ancora per gran parte dalla petrolchimica, che utilizza come materie prime prodotti derivanti dal petrolio, ormai in via di esaurimento. Si sta quindi sviluppando un nuovo filone di ricerche rivolte alla produzione di materie plastiche e prodotti chimici ricavati da fonti biologiche e rinnovabili.

I 12 principi della Green Chemistry

La chimica verde non è una branca a sé stante della chimica, quanto piuttosto un modo diverso di approcciarsi al lavoro del chimico. Per far questo si avvale di 12 principi da tener presente nel progettare una nuova sintesi o un impianto chimico:

1. Prevenire gli sprechi: progettare sintesi chimiche per evitare sprechi. Non lasciare rifiuti da trattare o pulire.
2. Massimizzare l’economia atomica: progettare sintesi in modo che il prodotto finale contenga la percentuale massima dei materiali di partenza. Pochi o nessun atomo vengono sprecati.
3. Progettare sintesi chimiche meno pericolose: progettare sintesi che utilizzino o generino sostanze con tossicità minima o nulla per l’uomo o l’ambiente.
4. Progettare prodotti chimici più sicuri: progettare prodotti chimici che siano completamente efficaci ma che abbiano una tossicità minima o nulla.
5. Utilizzare solventi e condizioni di reazione più sicure: evitare l’uso di solventi, agenti di separazione o altri prodotti chimici ausiliari. Se è necessario utilizzare questi prodotti chimici, utilizzare quelli più sicuri.
6. Aumentare l’efficienza energetica: eseguire reazioni chimiche a temperatura ambiente e pressione quando possibile.
7. Utilizzare materie prime rinnovabili: utilizzare materiali di partenza  che siano rinnovabili anziché esauribili. Le fonti di materie prime rinnovabili sono spesso prodotti agricoli o rifiuti di altri processi; le fonti di materie prime esauribili sono spesso combustibili fossili (petrolio, gas naturale o carbone) o attività minerarie.
8. Evitare i derivati ​​chimici: evitare l’uso di gruppi protettori o eventuali modifiche temporanee, se possibile. I derivati ​​utilizzano reagenti aggiuntivi e generano rifiuti.
9. Usare catalizzatori, non reagenti stechiometrici: ridurre al minimo gli scarti utilizzando reazioni catalitiche. I catalizzatori sono efficaci in piccole quantità e possono eseguire una singola reazione molte volte. Sono preferibili ai reagenti stechiometrici, che sono usati in eccesso e svolgono una reazione solo una volta.
10. Design di prodotti chimici da degradare dopo l’uso: progettare prodotti chimici che riducano le sostanze non innocue dopo l’uso in modo che non si accumulino nell’ambiente.
11. Analizzare in tempo reale per prevenire l’inquinamento: includere il monitoraggio e il controllo in-process, in tempo reale durante le sintesi per minimizzare o eliminare la formazione di sottoprodotti.
12. Ridurre al minimo il rischio di incidenti: progettare prodotti chimici e le loro forme fisiche (solide, liquide o gassose) per minimizzare il potenziale di incidenti chimici tra cui esplosioni, incendi e rilasci nell’ambiente.

Applicazioni della Chimica Verde

Tra le possibili applicazioni vi è senza dubbio l’ottimizzazione di sintesi chimiche già esistenti, modificandole perché siano maggiormente sostenibili, sostituendo solventi organici con acqua, o sviluppando catalizzatori che ne migliorino l’efficienza.

L’uso dei catalizzatori, in particolare, si è rivelata una strategia particolarmente proficua: la sintesi tradizionale dell’ ibuprofene, ad esempio, uno degli antiinfiammatori non steroidei più importanti dell’industria farmaceutica, veniva effettuata mediante sei step stechiometrici incorporando meno del 40% degli atomi utilizzati. La BHC (Boots/Hoechst Celanese) Company, una multinazionale chimica, ha progettato, invece, una sintesi catalitica che richiede solo tre passaggi, con l’economia atomica che raggiunge l’80% (99% recuperando anche l’acido acetico). L’acido fluoridrico HF, che serve sia come catalizzatore che come solvente, viene recuperato e riciclato con un’efficienza superiore al 99,9%.

Il processo BHC illustra i compromessi necessari nella prevenzione dell’inquinamento: mentre l’economia atomica è raddoppiata, la sintesi utilizza un catalizzatore/solvente pericoloso cime l’ HF.  Con recupero di HF, tuttavia, il nuovo processo rappresenta un miglioramento rispetto alla sintesi tradizionale dell’ ibuprofene. e infatti questa tecnologia è stata commercializzata dal 1992 presso la struttura BHC di Bishop, Texas. Un altro esempio significativo è lo sviluppo di una sintesi economica per produrre TPA (Thermal Polyaspartate), un biopolimero dalle proprietà simili a quelle del poliacrilato e che può quindi essere usato in sua sostituzione in svariati ambiti, come ad esempio negli assorbenti igienici femminili o nei pannolini per bambini.

La sintesi del TPA parte da un amminoacido, l’acido L-aspartico che in soli due step termina esita in un polimero biodegradabile e dalle molteplici applicazioni, compresa l’agricoltura e la gestione dei rifiuti.

Sviluppi futuri

Con l’emergenza cambiamento climatico sempre più preponderante anche nell’opinione pubblica, lo sviluppo di una chimica verde, che sia attenta anche al fattore energetico-ambientale, appare sempre più centrale sia a livello economico che sociale, tanto da essere inserito fra gli Obiettivi per lo Sviluppo Sostenibile delle Nazioni Unite. 

Nonostante una prima definizione unanime di Green Chemistry sia stata introdotta nel 1991, molto ancora c’è da lavorare affinché diventi un vero e proprio approccio sistematico alla ricerca e allo sviluppo in tutti i paesi del Mondo aumentando sensibilmente la consapevolezza  sostenibilità nella chimica. Tuttavia, ciò richiede un substrato di cooperazione tra economia, politica, impegno interdisciplinare, equità, educazione, regolamentazione, metrica e consapevolezza. Trasformare le imprese chimiche tradizionali in chiave sostenibile richiede un cambiamento significativo. Se i metodi di estrazione, produzione, distribuzione e i profili di utilizzo sono stati sviluppati prima che ci fosse la consapevolezza delle conseguenze della sostenibilità, non c’è motivo di credere che essi possano essere ottimizzati, o addirittura adeguati per le circostanze odierne.

Naturalmente questo richiederebbe una maggiore consapevolezza sociale delle autorità economiche e politiche in materia di sostenibilità, ricerca e progettualità futura che non sempre si riesce a ritrovare negli attuali protagonisti della scena politica internazionale. Sicuramente Università e centri di ricerca sono fautori di un flusso che da anni si muove verso una chimica sempre più verde che sta iniziando ad investire diverse realtà industriali. Auspicabilmente una consapevolezza diversa nei confronti delle problematiche ambientali rispetto al passato fa ben sperare ma molto resta ancora da fare non solo per portare avanti la ricerca, ma anche e soprattutto per cambiare il modo di approcciarsi alla chimica, a ciò che essa può portare in termini di benessere e progresso sia tecnologico che sociale.

Bibliografia

• Green Chemistry, organic-chemistry.org
• Anastas, Paul T., et al. “The role of catalysis in the design, development, and implementation of green chemistry.” Catalysis Today 55.1-2 (2000): 11-22.
• Thermal Polyaspartate as a Biodegradable Alternative to Polyacrylate and Other Currently Used Water Soluble Polymers, upv.es
• Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry2018,13:150–153