Desde la agricultura hasta los productos farmacéuticos 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 continuas a las que hay que hacer frente. Al mismo tiempo, el cambio climático está exacerbando los problemas medioambientales, lo que hace urgente producir lo que necesitamos de forma más sostenible. Para sostener 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 hacen precisamente eso.
Asegúrese de inscribirse en nuestro seminario web de CAS Insights: Tendencias clave de la química verde. Dan Bailey (investigador científico asociado para la sostenibilidad en Takeda) y la Dra. Amy Cannon (directora ejecutiva y cofundadora de Beyond Benign) se unirán a Leighton Jones (científico principal de CAS, materiales) para debatir las tendencias clave que dan forma a esta área vital de la ciencia. ¡Esperamos verle allí!
¿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 aparatos electrónicos de consumo. Estos imanes dependen de las tierras raras, un subconjunto de metales críticos, que están geográficamente concentrados y son caros de obtener. Alrededor del 80 % de todas las tierras raras proceden de China, y el coste y la disponibilidad son preocupaciones cada vez mayores. La extracción de tierras raras también puede ser perjudicial para el medio ambiente, por lo que abastecerse de ellas en otros países no siempre es posible.
Los investigadores están desarrollando ahora materiales magnéticos de alto rendimiento que utilizan 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 de ingeniería como el nitruro de hierro (FeN) y la tetrataenita (FeNi), que ofrecen propiedades magnéticas competitivas sin los costes medioambientales y geopolíticos del abastecimiento de tierras raras.
Por ejemplo, los científicos descubrieron recientemente que añadiendo fósforo a una aleación de hierro y níquel se produce tetrataenita, un potente imán que se encuentra en los meteoritos y que normalmente tarda millones de años en formarse. Este descubrimiento de la química verde fabrica el material en cuestión de segundos y ofrece una potente alternativa a las tierras raras, en particular a los imanes de neodimio.
Los imanes permanentes que contienen elementos abundantes pueden impulsar una fabricación más sostenible para:
- Motores de vehículos eléctricos (VE)
- Turbinas eólicas
- Máquinas de resonancia magnética (IRM)
- Electrónica de consumo como altavoces y smartphones
Se espera que la producción de estos imanes aumente pronto a medida que más industrias busquen alternativas asequibles y más ecológicas a las tierras raras.
Las fábricas se vuelven ecológicas con alternativas sin PFAS
Las sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas (PFAS) son persistentes, bioacumulativas y están cada vez más reguladas debido a su relación con los riesgos medioambientales y para la salud. Muchas industrias se encuentran bajo presión para eliminar gradualmente las PFAS de sus procesos de fabricación y cadenas de suministro, en particular las consideradas de uso «no esencial» como textiles, cosméticos, utensilios de cocina y plásticos. La implantación de procesos de fabricación ecológicos para estos productos ofrece una solución a largo plazo en lugar de una sustitución a corto plazo.
La fabricación sin PFAS incluye la sustitución de disolventes, tensioactivos y agentes de grabado basados en PFAS por alternativas como tratamientos con plasma, limpieza con CO₂ supercrítico y tensioactivos de base biológica como los ramnolípidos y los soforolípidos. En algunos casos, los revestimientos sin flúor hechos de siliconas, ceras o nanocelulosa también se integran en flujos de trabajo rediseñados.
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 de numerosos productos. También abren la puerta a sistemas tensioactivos ecológicos y revestimientos sin flúor que cumplen las normas de rendimiento sin sustancias tóxicas.
Como comentamos en nuestro informe sobre el panorama de las PFAS, su eliminación progresiva es un reto mundial, pero los descubrimientos recientes pueden conducir a la introducción comercial de revestimientos sin flúor en prendas de vestir, envases alimentarios y otros productos. También es posible que pronto veamos el desarrollo de tensioactivos de base biológica y de ingeniería de procesos verdes.
Mecanoquímica y reacciones verdes: nuevas vías con síntesis sin disolventes
La mecanoquímica utiliza la energía mecánica —típicamente a través de la trituración o el molido de bolas— para impulsar reacciones químicas sin necesidad de disolventes. Esta técnica permite transformaciones convencionales y novedosas, incluidas las que implican reactivos de baja solubilidad o compuestos inestables en disolución. 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 medioambiental 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 posibles aplicaciones como electrolitos orgánicos puros conductores de protones en pilas de combustible, en sí mismas una tecnología de energía renovable que puede 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 utilizó menos energía.
Esperamos ver reactores mecanoquímicos a escala industrial para la producción farmacéutica y de materiales en los próximos años. Esta tecnología también puede expandirse hacia la catálisis asimétrica, las transformaciones sin metales y la fabricación continua. El descubrimiento guiado por la IA de reacciones y catalizadores mecanoquímicos novedosos también es muy prometedor.
La IA ayuda a los químicos a elegir el camino más sostenible
La optimización tradicional de las reacciones suele priorizar el rendimiento y la velocidad sobre los costes medioambientales. La IA en química permite a los investigadores diseñar reacciones que no solo son eficaces, sino que están 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 medioambientales.
En la química verde, las herramientas de optimización de la 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 —incluidas la temperatura, la presión y la 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 sustancias químicas potencialmente peligrosas.
- 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 normativas y de ESG, estos modelos predictivos y herramientas impulsadas por la IA pueden apoyar el desarrollo de productos sostenibles en los sectores farmacéutico, de la ciencia de los materiales y otros. La maduración de estas herramientas conducirá al desarrollo de sistemas estandarizados de puntuación de la sostenibilidad para las reacciones químicas. También esperamos ver la expansión de herramientas de retrosíntesis guiadas por IA que prioricen el impacto medioambiental junto con el rendimiento.
Reacciones en el agua y sobre el agua que permiten vías de síntesis más ecológicas
La industria química está sometida a una presión cada vez mayor para reducir su huella medioambiental. Los disolventes orgánicos son uno de los principales responsables de los residuos peligrosos, la contaminación atmosférica y los riesgos para la seguridad. El agua, por el contrario, no es tóxica, no es inflamable y está ampliamente disponible. Sin embargo, durante décadas se asumió que el agua no podía funcionar como disolvente para la catálisis. Descubrimientos recientes demuestran que muchas reacciones pueden lograrse en o sobre el agua, lo que supone un cambio de paradigma en la química sostenible.
Las reacciones en el agua y sobre el agua son procesos químicos que se producen dentro del agua como disolvente o en la interfase entre el agua y los reactivos insolubles en agua. 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 el agua suelen desarrollarse bien incluso cuando los reactivos no son solubles en agua, lo que sugiere que la interfase agua-orgánica desempeña un papel catalítico activo.
Por ejemplo, los científicos desarrollaron recientemente nanopartículas de plata en agua golpeando con electrones una solución de nitrito de plata. El proyecto pretendía comprender mejor el control del crecimiento de las nanopartículas y la electroquímica impulsada por plasma. La reacción de Diels-Alder también se aceleró con éxito en agua. Dado que esta reacción se utiliza en numerosas aplicaciones de química orgánica, completarla sin disolventes tóxicos puede mejorar la química verde en productos farmacéuticos y diversos materiales.
Sustituir los disolventes orgánicos tóxicos por agua permite vías de síntesis y fabricación más ecológicas. También reduce los costes de producción y puede ampliar el acceso a la síntesis química en entornos con pocos recursos e instituciones educativas. Esperamos ver:
- Una adopción más amplia de las reacciones basadas en agua en las vías de I+D farmacéuticas.
- Desarrollo de nuevos catalizadores optimizados para entornos acuosos.
- Integración con la química de flujo y los sistemas de fabricación continua.
- Expansión hacia la síntesis de polímeros y materiales más allá de las moléculas pequeñas.
- Mejora de la modelización de los efectos interfaciales para predecir los resultados de las reacciones sobre el agua.
La extracción impulsada por DES reconfigura la química circular
Extraer metales de los residuos electrónicos es un imperativo crítico para evitar la contaminación tóxica y garantizar un suministro adecuado de materiales para dispositivos industriales y de consumo. Extraer compuestos bioactivos de los flujos de residuos es igualmente importante, pero los métodos tradicionales de extracción de metales críticos y compuestos bioactivos suelen consumir mucha energía y son peligrosos y perjudiciales para el medio ambiente.
Los disolventes eutécticos profundos (DES), sin embargo, son mezclas de donadores y aceptores 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 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): típicamente sales de amonio cuaternario (por ejemplo, cloruro de colina)
- Donante de enlace de hidrógeno (HBD): compuestos como la urea, los glicoles, los ácidos carboxílicos o los azúcares
- Proporción típica: 1:2 o 1:3 (HBA:HBD)
Los DES se alinean con los objetivos de la economía circular, a saber, permitir la recuperación de recursos a partir de residuos electrónicos, pilas gastadas y biomasa, minimizando al mismo tiempo las emisiones y los residuos químicos. Apoyan el desarrollo de biorrefinerías extrayendo compuestos valiosos de los 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 de biomasa de espectro completo también es posible con la integración de procesos enzimáticos y de fermentación.
La química verde afecta a todas las industrias y campos y, a medida que continúe la investigación, se hará más común, asequible y sostenible desde el punto de vista medioambiental. Manténgase al día de las últimas investigaciones aquí:
