Química verde: Seis tendencias clave a seguir

Desde la agricultura hasta la industria farmacéutica y la electrónica de consumo, la química impulsa los productos y materiales que hacen posible la vida moderna. Sin embargo, los recursos son finitos y los residuos y la contaminación son preocupaciones constantes que deben abordarse. Al mismo tiempo, el cambio climático está exacerbando los problemas medioambientales, lo que hace urgente producir lo que necesitamos de forma más sostenible. Para apoyar nuestras economías, seguimos necesitando la química y todas sus innovaciones, pero deben ser más ecológicas. Algunas de las tendencias científicas más importantes de la actualidad están logrando precisamente eso.

Vea la grabación de nuestro seminario web de CAS Insights: Tendencias clave en química verde. Dan Bailey (socio científico asociado de sostenibilidad en Takeda) y la Dra. Amy Cannon (directora ejecutiva y cofundadora de Beyond Benign) se unieron a Leighton Jones (científico principal de materiales de CAS) para debatir las tendencias clave que están dando forma a esta área vital de la ciencia.

¿Pueden los elementos abundantes impulsar la próxima generación de imanes permanentes?

Los imanes permanentes son componentes cruciales de motores, semiconductores, generadores y todo tipo de electrónica de consumo. Estos imanes dependen de las tierras raras, un subconjunto de metales críticos, que están concentrados geográficamente y son costosos de obtener. Alrededor del 80% de todas las tierras raras provienen de China, y el coste y la disponibilidad son preocupaciones crecientes. La extracción de tierras raras también puede ser perjudicial para el medio ambiente, por lo que obtenerlas de otros países no siempre es posible.

Los investigadores están desarrollando materiales magnéticos de alto rendimiento utilizando elementos abundantes en la Tierra, como el hierro y el níquel, para sustituir a las tierras raras en los imanes permanentes. Estas alternativas incluyen compuestos diseñados como el nitruro de hierro (FeN) y la tetrataenita (FeNi), que ofrecen propiedades magnéticas competitivas sin los costes medioambientales y geopolíticos de la obtención de tierras raras.

For example, scientists recently found that adding phosphorus to an iron-nickel alloy produces tetrataenite, a powerful magnet found in meteorites that normally takes millions of years to form. This green chemistry breakthrough makes the material in seconds and provides a powerful alternative to rare earths, ​​particularly neodymium magnets.  

Los imanes permanentes que contienen elementos abundantes pueden impulsar una fabricación más sostenible para lo siguiente:

• Motores de vehículos eléctricos (VE)
• Turbinas eólicas
• Máquinas de resonancia magnética (RM)
• Electrónica de consumo, como altavoces y teléfonos inteligentes

Espere ver pronto la ampliación de la producción de estos imanes a medida que más industrias busquen alternativas asequibles y más ecológicas a las tierras raras.

Las fábricas se vuelven ecológicas con alternativas libres de PFAS

Las sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas (PFAS) son persistentes, bioacumulables y están cada vez más reguladas debido a su relación con riesgos ambientales y para la salud. Muchas industrias están bajo presión para eliminar los PFAS de sus procesos de fabricación y cadenas de suministro, especialmente en aquellos usos considerados «no esenciales», como textiles, cosméticos, utensilios de cocina y plásticos. Implementar procesos de fabricación ecológicos para estos productos ofrece una solución a largo plazo en lugar de una sustitución a corto plazo.

La fabricación libre de PFAS incluye la sustitución de disolventes, tensioactivos y agentes de grabado basados en PFAS por alternativas como tratamientos de plasma, limpieza con CO₂ supercrítico y tensioactivos de base biológica como ramnolípidos y soforolípidos. En algunos casos, también se integran en flujos de trabajo rediseñados recubrimientos libres de flúor fabricados a partir de siliconas, ceras o nanocelulosa.  

Estas innovaciones reducen la posible responsabilidad y los costes de limpieza asociados a la contaminación por PFAS, y permiten una producción más segura y conforme a la normativa de numerosos productos. También abren la puerta a sistemas de tensioactivos ecológicos y recubrimientos libres de flúor que cumplen con los estándares de rendimiento sin utilizar sustancias tóxicas.  

Como analizamos en nuestro informe sobre el panorama de los PFAS, la eliminación de los PFAS es un desafío global, pero los avances recientes podrían conducir al lanzamiento comercial de recubrimientos libres de flúor en ropa, envases de alimentos y otros sectores. Es posible que pronto veamos también el desarrollo de tensioactivos de base biológica y la ingeniería de procesos ecológicos.

Mecanoquímica y reacciones ecológicas: nuevas vías con síntesis sin disolventes

La mecanoquímica utiliza energía mecánica —normalmente mediante trituración o molienda de bolas— para impulsar reacciones químicas sin necesidad de disolventes. Esta técnica permite transformaciones convencionales y novedosas, incluidas aquellas que involucran reactivos de baja solubilidad o compuestos inestables en solución. Se utiliza cada vez más para sintetizar productos farmacéuticos, polímeros y materiales avanzados, abriendo nuevas fronteras en el descubrimiento de reacciones y la catálisis.

Los disolventes suelen representar una parte importante del impacto ambiental de la producción farmacéutica y de química fina, por lo que eliminarlos del proceso es un enfoque de fabricación sostenible que reduce los residuos y mejora la seguridad. Por ejemplo, las sales orgánicas anhidras tienen aplicaciones potenciales como electrolitos conductores de protones orgánicos puros en pilas de combustible, que son, en sí mismas, una tecnología de energía renovable que puede ayudar a reducir las emisiones. Los investigadores utilizaron la mecanoquímica para sintetizar sales de ácido imidazol-dicarboxílico sin disolventes, lo que redujo con éxito el uso de disolventes, proporcionó altos rendimientos y consumió menos energía.

Esperamos ver reactores mecanoquímicos a escala industrial para la producción farmacéutica y de materiales en los próximos años. Esta tecnología también podría expandirse a la catálisis asimétrica, las transformaciones sin metales y la fabricación continua. El descubrimiento de nuevas reacciones y catalizadores mecanoquímicos guiado por IA también es muy prometedor.

La IA ayuda a los químicos a elegir el camino más sostenible

La optimización tradicional de reacciones suele priorizar el rendimiento y la velocidad sobre los costes ambientales. La IA en la química permite a los investigadores diseñar reacciones que no solo sean eficaces, sino que estén alineadas con los principios de la química verde. La IA está transformando la investigación química al permitir el modelado predictivo de los resultados de las reacciones, el rendimiento de los catalizadores y los impactos ambientales.

En la química verde, las herramientas de optimización mediante IA se están entrenando para evaluar las reacciones basándose en métricas de sostenibilidad, como la economía atómica, la eficiencia energética, la toxicidad y la generación de residuos. Estos modelos también pueden sugerir vías sintéticas más seguras y condiciones de reacción óptimas —incluyendo temperatura, presión y elección del disolvente—, reduciendo así la dependencia de la experimentación por ensayo y error.

¿Cómo puede ayudar la IA en este ámbito? Puede:

• Predecir cómo se comportarán los catalizadores sin tener que probarlos físicamente, lo que reduce los residuos, el consumo de energía y el uso de productos químicos potencialmente peligrosos. ‍
• Diseñar catalizadores que favorezcan una producción de amoníaco más ecológica para una agricultura sostenible, y otros que optimicen las pilas de combustible.
• Apoyar bucles de optimización autónomos que integren la experimentación de alto rendimiento con el aprendizaje automático.  

A medida que aumentan las presiones regulatorias y de ESG, estos modelos predictivos y herramientas impulsadas por IA pueden apoyar el desarrollo de productos sostenibles en los sectores farmacéutico, de ciencia de materiales y otros. La maduración de estas herramientas conducirá al desarrollo de sistemas de puntuación de sostenibilidad estandarizados para las reacciones químicas. También esperamos ver la expansión de las herramientas de retrosíntesis guiadas por IA que prioricen el impacto ambiental junto con el rendimiento.

Reacciones en agua y sobre agua que permiten vías de síntesis más ecológicas  

La industria química está bajo una presión creciente para reducir su huella ambiental. Los disolventes orgánicos son un factor importante en la generación de residuos peligrosos, la contaminación atmosférica y los riesgos de seguridad. El agua, por el contrario, no es tóxica, no es inflamable y está ampliamente disponible. Durante décadas, sin embargo, se asumió que el agua no podía funcionar como disolvente para la catálisis. Los avances recientes demuestran que muchas reacciones pueden lograrse en agua o sobre ella, lo que supone un cambio de paradigma en la química sostenible.

Las reacciones en agua y sobre agua son procesos químicos que ocurren dentro del agua como disolvente o en la interfaz entre el agua y los reactivos insolubles en ella. Estas reacciones aprovechan las propiedades únicas del agua, como los enlaces de hidrógeno, la polaridad y la tensión superficial, para facilitar o acelerar las transformaciones químicas. Las reacciones sobre agua a menudo proceden bien incluso cuando los reactivos no son solubles en agua, lo que sugiere que la interfaz agua-orgánico desempeña un papel catalítico activo.

​​​Por ejemplo, recientemente se desarrollaron nanopartículas de plata en agua mediante el bombardeo de una solución de nitrito de plata con electrones. El proyecto buscaba comprender mejor el control del crecimiento de nanopartículas y la electroquímica impulsada por plasma. Asimismo, se aceleró con éxito la reacción de Diels-Alder en agua. Dado que esta reacción se emplea en numerosas aplicaciones de química orgánica, realizarla sin disolventes tóxicos puede potenciar la química verde en los sectores farmacéutico y de materiales.  

Sustituir los disolventes orgánicos tóxicos por agua permite desarrollar vías de síntesis y fabricación más ecológicas. Además, reduce los costes de producción y puede facilitar el acceso a la síntesis química en entornos con pocos recursos e instituciones educativas. Prevemos lo siguiente:

• Una mayor adopción de reacciones basadas en agua en los procesos de I+D farmacéutica.
• El desarrollo de nuevos catalizadores optimizados para entornos acuosos.
• La integración con la química de flujo y los sistemas de fabricación continua.
• La expansión hacia la síntesis de polímeros y materiales más allá de las moléculas pequeñas.
• Una mejor modelización de los efectos interfaciales para predecir los resultados de las reacciones en agua.

La extracción mediante disolventes eutécticos profundos transforma la química circular  

La extracción de metales de los residuos electrónicos es un imperativo crítico para evitar la contaminación tóxica y garantizar el suministro adecuado de materiales para dispositivos de consumo e industriales. Del mismo modo, la eliminación de compuestos bioactivos de los flujos de residuos es fundamental, aunque los métodos de extracción tradicionales para metales críticos y compuestos bioactivos suelen consumir mucha energía, ser peligrosos y dañar el medio ambiente.

Los disolventes eutécticos profundos (DES, por sus siglas en inglés) son mezclas de aceptores y donantes de enlaces de hidrógeno que forman un eutéctico con un punto de fusión inferior al de cualquiera de sus componentes. Estos disolventes personalizables y biodegradables se utilizan para extraer tanto metales críticos (como oro, litio y tierras raras) como compuestos bioactivos (como polifenoles, flavonoides y lignina) de flujos de residuos, minerales y residuos agrícolas. Los DES ofrecen una alternativa de baja toxicidad y bajo consumo energético frente a los disolventes convencionales, como los ácidos fuertes o los compuestos orgánicos volátiles (COV). Algunos ejemplos de DES son:

• ​​​Aceptor de enlaces de hidrógeno (HBA): Normalmente sales de amonio cuaternario (p. ej., cloruro de colina)
• Donante de enlaces de hidrógeno (HBD): Compuestos como urea, glicoles, ácidos carboxílicos o azúcares
• Proporción típica: 1:2 o 1:3 (HBA:HBD)

Los DES se alinean con los objetivos de la economía circular, concretamente al permitir la recuperación de recursos a partir de residuos electrónicos, baterías usadas y biomasa, minimizando al mismo tiempo las emisiones y los residuos químicos. Favorecen el desarrollo de biorrefinerías mediante la extracción de compuestos valiosos de subproductos agrícolas. También reducen la dependencia de los disolventes petroquímicos y amplían las oportunidades de mercado para los materiales sostenibles.

En un futuro próximo, esperamos ver una ampliación de los sistemas basados en DES para la recuperación industrial de metales y el procesamiento de biomasa, así como formulaciones comerciales de DES adaptadas a aplicaciones alimentarias, farmacéuticas y cosméticas. La valorización integral de la biomasa también es posible mediante la integración de procesos enzimáticos y de fermentación.

La química verde afecta a todas las industrias y campos, y a medida que avance la investigación, será más común, asequible y ambientalmente sostenible.

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