Da agricultura aos produtos farmacêuticos e à eletrônica de consumo, a química impulsiona os produtos e materiais que tornam a vida moderna possível. No entanto, os recursos são finitos, e o desperdício e a poluição são preocupações constantes que precisam ser enfrentadas. Ao mesmo tempo, as mudanças climáticas estão agravando os problemas ambientais, tornando urgente produzir o que precisamos de forma mais sustentável. Para sustentar nossas economias, ainda precisamos da química e de todas as suas inovações, mas elas precisam ser mais verdes. Algumas das tendências científicas mais importantes da atualidade estão fazendo exatamente isso.
Não deixe de se inscrever em nosso Webinar CAS Insights: principais tendências na química verde. Dan Bailey (Associate Scientific Fellow for Sustainability na Takeda) e a Dra. Amy Cannon (Diretora Executiva e Cofundadora da Beyond Benign) se juntarão a Leighton Jones (Cientista Líder do CAS, Materiais) para discutir as principais tendências que estão moldando essa área vital da ciência. Esperamos ver você lá!
Os elementos abundantes podem impulsionar a próxima geração de ímãs permanentes?
Ímãs permanentes são componentes essenciais de motores, semicondutores, geradores e de todos os tipos de eletrônicos de consumo. Esses ímãs dependem de terras raras, um subconjunto de metais críticos, que estão geograficamente concentrados e são caros para serem obtidos. Cerca de 80% de todas as terras raras são provenientes da China, e o custo e a disponibilidade são preocupações crescentes. A extração de terras raras também pode ser prejudicial ao meio ambiente, portanto, obtê-las de outros países nem sempre é possível.
Atualmente, pesquisadores estão desenvolvendo materiais magnéticos de alto desempenho utilizando elementos abundantes na Terra, como ferro e níquel, para substituir as terras raras usadas em ímãs permanentes. Essas alternativas incluem compostos desenvolvidos por engenharia, como o nitreto de ferro (FeN) e a tetrataenita (FeNi), que oferecem propriedades magnéticas competitivas sem os custos ambientais e geopolíticos da extração de terras raras.
Por exemplo, os cientistas descobriram recentemente que adicionar fósforo a uma liga de ferro-níquel produz tetrataenita, um poderoso ímã encontrado em meteoritos que normalmente leva milhões de anos para se formar. Essa descoberta importante da química verde produz o material em segundos e oferece uma alternativa poderosa às terras raras, especialmente aos ímãs de neodímio.
Os ímãs permanentes que contêm elementos abundantes podem impulsionar uma fabricação mais sustentável para os seguintes itens:
- Motores de veículos elétricos (EV)
- Turbinas eólicas
- Máquinas de ressonância magnética (MRI)
- Eletrônicos de consumo, como alto-falantes e smartphones
A tendência é que a produção desses ímãs ganhe escala em breve, à medida que mais indústrias busquem alternativas acessíveis e mais verdes às terras raras.
Fábricas adotando práticas sustentáveis com alternativas livres de PFAS.
As substâncias perfluoroalquiladas e polifluoroalquiladas (PFAS) são persistentes, bioacumulativas e cada vez mais regulamentadas devido à sua ligação com riscos ambientais e à saúde. Muitas indústrias estão sob pressão para eliminar gradualmente os PFAS de seus processos de fabricação e cadeias de suprimentos, especialmente em usos considerados “não essenciais”, como têxteis, cosméticos, utensílios de cozinha e plásticos. A implementação de processos de fabricação verdes para esses produtos oferece uma solução de longo prazo, em vez de uma substituição de curto prazo.
A fabricação livre de PFAS inclui a substituição de solventes, surfactantes e agentes de ataque químico à base de PFAS por alternativas como tratamentos por plasma, limpeza com CO₂ supercrítico e surfactantes de base biológica, como ramnolipídios e soforolipídios. Em alguns casos, revestimentos livres de flúor feitos de silicones, ceras ou nanocelulose também são integrados a fluxos de trabalho redesenhados.
Essas inovações reduzem a responsabilidade potencial e os custos de limpeza associados à contaminação por PFAS, além de possibilitarem uma produção mais segura e em conformidade de inúmeros produtos. Elas também abrem caminho para sistemas de surfactantes verdes e revestimentos livres de flúor que atendem aos padrões de desempenho sem substâncias tóxicas.
Conforme discutido em nosso relatório sobre o cenário dos PFAS, a eliminação gradual dos PFAS é um desafio global, mas avanços recentes podem levar ao lançamento comercial de revestimentos livres de flúor em vestuário, embalagens de alimentos e muito mais. Também poderemos ver em breve o desenvolvimento de surfactantes de base biológica e da engenharia de processos verdes.
Mecanoquímica e reações verdes: novos caminhos com síntese sem solventes.
A mecanoquímica utiliza energia mecânica, normalmente por meio de moagem ou moagem em moinho de bolas, para conduzir reações químicas sem a necessidade de solventes. Essa técnica possibilita transformações convencionais e inovadoras, inclusive aquelas que envolvem reagentes de baixa solubilidade ou compostos que são instáveis em solução. Ela é cada vez mais utilizada para sintetizar fármacos, polímeros e materiais avançados, abrindo novas fronteiras na descoberta de reações e na catálise.
Os solventes frequentemente representam uma parcela significativa dos impactos ambientais da produção farmacêutica e de química fina; portanto, removê-los do processo é uma abordagem de fabricação sustentável que reduz resíduos e aumenta a segurança. Por exemplo, sais orgânicos anidros têm aplicações potenciais como eletrólitos orgânicos puros condutores de prótons em células a combustível, elas próprias uma tecnologia de energia renovável que pode ajudar a reduzir as emissões. Pesquisadores usaram mecanoquímica para sintetizar sais de ácido imidazol-dicarboxílico sem solvente, o que reduziu com sucesso o uso de solventes, proporcionou altos rendimentos e utilizou menos energia.
Esperamos ver reatores mecanoquímicos em escala industrial para a produção de produtos farmacêuticos e materiais nos próximos anos. Essa tecnologia também pode se expandir para catálise assimétrica, transformações sem metais e fabricação contínua. A descoberta de novas reações mecanocímicas e catalisadores guiada por IA também é extremamente promissora.
A IA ajuda os químicos a escolherem o caminho mais sustentável
A otimização tradicional de reações geralmente prioriza o rendimento e a velocidade em detrimento dos custos ambientais. A inteligência artificial na química permite que os pesquisadores projetem reações que não sejam apenas eficazes, mas também estejam alinhadas com os princípios da química verde. A IA está transformando a pesquisa química ao possibilitar a modelagem preditiva dos resultados das reações, do desempenho dos catalisadores e dos impactos ambientais.
Na química verde, ferramentas de otimização por IA estão sendo treinadas para avaliar reações com base em métricas de sustentabilidade, como economia atômica, eficiência energética, toxicidade e geração de resíduos. Esses modelos também podem sugerir rotas sintéticas mais seguras e condições ideais de reação, incluindo temperatura, pressão e escolha de solvente, reduzindo assim a dependência de experimentação por tentativa e erro.
Como a IA pode ajudar nessa área? É possível:
- Prever como os catalisadores se comportarão sem ter que testá-los fisicamente, o que reduz o desperdício, o uso de energia e o uso de químicos potencialmente perigosos.
- Projetar catalisadores que apoiem uma produção de amônia mais verde para a agricultura sustentável, e outros que otimizem as células a combustível.
- Apoiar ciclos de otimização autônomos que integrem experimentação de alto rendimento com aprendizado de máquina.
À medida que as pressões regulatórias e de ESG aumentam, esses modelos preditivos e ferramentas impulsionadas por IA podem apoiar o desenvolvimento sustentável de produtos nas áreas farmacêutica, ciência dos materiais e além. O amadurecimento dessas ferramentas levará ao desenvolvimento de sistemas padronizados de pontuação de sustentabilidade para reações químicas. Também esperamos ver a expansão de ferramentas de retrossíntese orientadas por IA que priorizem o impacto ambiental juntamente com o desempenho.
Reações em água e sobre a água viabilizando rotas de síntese mais verdes
A indústria química está sob pressão crescente para reduzir sua pegada de carbono ambiental. Os solventes orgânicos são um dos principais responsáveis por resíduos perigosos, poluição do ar e riscos à segurança. A água, por outro lado, é atóxica, não inflamável e amplamente disponível. Por décadas, entretanto, presumiu-se que a água não poderia atuar como solvente para catálise. Avanços recentes mostram que muitas reações podem ser realizadas em água ou sobre a água, uma mudança de paradigma na química sustentável.
Reações em água e reações na superfície da água são processos químicos que ocorrem tanto na água como solvente quanto na interface entre a água e reagentes insolúveis em água. Essas reações exploram as propriedades únicas da água, como ligações de hidrogênio, polaridade e tensão superficial, para facilitar ou acelerar transformações químicas. As reações sobre a água frequentemente prosseguem bem mesmo quando os reagentes não são solúveis em água, sugerindo que a interface água-orgânica desempenha um papel catalítico ativo.
Por exemplo, cientistas desenvolveram recentemente nanopartículas de prata em água, bombardeando uma solução de nitrito de prata com elétrons. O projeto teve como objetivo compreender melhor o controle do crescimento de nanopartículas e a eletroquímica impulsionada por plasma. A reações de Diels-Alder também foi acelerada com sucesso em água. Como essa reação é utilizada em numerosas aplicações da química orgânica, realizá-la sem solventes tóxicos pode fortalecer a química verde nos setores farmacêutico e de diversos materiais.
A substituição de solventes orgânicos tóxicos por água viabiliza rotas de síntese e processos de fabricação mais sustentáveis. Isso também reduz os custos de produção e pode ampliar o acesso à síntese química em contextos com poucos recursos e em instituições educacionais. Esperamos ver:
- Maior adoção de reações à base de água em projetos de P&D farmacêuticos.
- Desenvolvimento de novos catalisadores otimizados para ambientes aquosos.
- Integração com sistemas de química de fluxo e fabricação contínua.
- Expansão para a síntese de polímeros e materiais além de pequenas moléculas.
- Modelagem aprimorada dos efeitos interfaciais para prever os resultados das reações na água.
A extração com tecnologia DES remodela a química circular.
Extrair metais de resíduos eletrônicos é um imperativo crítico para evitar a poluição tóxica e garantir suprimentos adequados de materiais para dispositivos de consumo e industriais. Remover compostos bioativos de fluxos de resíduos é igualmente importante, mas os métodos tradicionais de extração de metais críticos e compostos bioativos costumam ser intensivos em energia, perigosos e prejudiciais ao meio ambiente.
Solventes eutéticos profundos (SEP), no entanto, são misturas de doadores e aceitadores de ligações de hidrogênio que formam um eutético com ponto de fusão inferior ao de qualquer um dos componentes. Esses solventes personalizáveis e biodegradáveis estão sendo utilizados para extrair tanto metais críticos, como ouro, lítio e terras raras, quanto compostos bioativos, como polifenóis, flavonoides e lignina, a partir de correntes de resíduos, minérios e resíduos agrícolas. Os DES oferecem uma alternativa de baixa toxicidade e baixo consumo energético aos solventes convencionais, como ácidos fortes ou compostos orgânicos voláteis (VOCs). DES exemplos incluem:
- Aceitador de ligação de hidrogênio (HBA): normalmente sais de amônio quaternário (por exemplo, cloreto de colina)
- Doadores de ligação de hidrogênio (HBD): Compostos como ureia, glicóis, ácidos carboxílicos ou açúcares.
- Proporção típica: 1:2 ou 1:3 (HBA:HBD)
Os DES estão alinhados com os objetivos da economia circular, a saber, possibilitar a recuperação de recursos de resíduos eletrônicos, baterias descartadas e biomassa, ao mesmo tempo em que minimizam as emissões e os resíduos químicos. Eles apoiam o desenvolvimento de biorrefinarias ao extrair compostos valiosos de subprodutos agrícolas. Eles também reduzem a dependência de solventes petroquímicos e ampliam as oportunidades de mercado para materiais sustentáveis.
No futuro próximo, esperamos ver a ampliação em escala de sistemas baseados em DES para a recuperação industrial de metais e o processamento de biomassa, bem como formulações comerciais de DES adaptadas para aplicações alimentícias, farmacêuticas e cosméticas. A valorização integral da biomassa também é possível com a integração de processos enzimáticos e de fermentação.
A química verde afeta todos os setores e áreas, e, à medida que a pesquisa avança, ela se tornará mais comum, mais acessível e ambientalmente sustentável. Fique por dentro de todas as pesquisas mais recentes aqui:
