Química verde: Seis tendências principais para acompanhar

Da agricultura à indústria farmacêutica e eletrônicos 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 contínuas que precisam ser abordadas. Ao mesmo tempo, as mudanças climáticas estão exacerbando os problemas ambientais, tornando urgente produzir o que precisamos de forma mais sustentável. Para apoiar 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.

Assista à gravação do nosso webinar CAS Insights: Principais tendências em química verde. Dan Bailey (Sócio Cientista de Sustentabilidade na Takeda) e a Dra. Amy Cannon (Diretora Executiva e Cofundadora da Beyond Benign) juntaram-se a Leighton Jones (Cientista Líder de Materiais do CAS) para discutir as principais tendências que moldam esta área vital da ciência.

Elementos abundantes podem alimentar a próxima geração de ímãs permanentes?  

Ímãs permanentes são componentes cruciais de motores, semicondutores, geradores e todos os tipos de eletrônicos de consumo. Esses ímãs dependem de terras raras, um subconjunto de metais críticos, que são geograficamente concentrados e caros de obter. Cerca de 80% de todas as terras raras são provenientes da China, e o custo e a disponibilidade são preocupações crescentes. A mineração de terras raras também pode ser prejudicial ao meio ambiente, portanto, obtê-las de outros países nem sempre é possível.

Pesquisadores estão desenvolvendo materiais magnéticos de alto desempenho usando elementos abundantes na Terra, como ferro e níquel, para substituir as terras raras em ímãs permanentes. Essas alternativas incluem compostos projetados, como nitreto de ferro (FeN) e tetrataenita (FeNi), que oferecem propriedades magnéticas competitivas sem os custos ambientais e geopolíticos da obtenção de terras raras.

Por exemplo, cientistas descobriram recentemente que adicionar fósforo a uma liga de ferro-níquel produz tetrataenita, um ímã poderoso encontrado em meteoritos que normalmente leva milhões de anos para se formar. Esse avanço da química verde produz o material em segundos e oferece uma alternativa poderosa às terras raras, particularmente aos ímãs de neodímio.  

Ímãs permanentes contendo elementos abundantes podem impulsionar uma fabricação mais sustentável para o seguinte:

• Motores de veículos elétricos (VE)
• Turbinas eólicas
• Máquinas de ressonância magnética (RM)
• Eletrônicos de consumo, como alto-falantes e smartphones

Espere ver a produção desses ímãs ganhar escala em breve, à medida que mais indústrias buscam alternativas acessíveis e mais verdes às terras raras.  

Fábricas adotam práticas sustentáveis com alternativas livres de PFAS

As substâncias per e polifluoroalquil (PFAS) são persistentes, bioacumulativas e estão cada vez mais sujeitas a regulamentações devido às suas associações com riscos ambientais e à saúde. Muitas indústrias estão sob pressão para eliminar gradualmente as 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 sustentáveis para esses produtos oferece uma solução de longo prazo, em vez de uma substituição temporária.

A fabricação livre de PFAS inclui a substituição de solventes, surfactantes e agentes de corrosão à base de PFAS por alternativas como tratamentos a plasma, limpeza com CO₂ supercrítico e surfactantes de base biológica, como ramnolipídeos e soforolipídeos. Em alguns casos, revestimentos livres de flúor feitos de silicones, ceras ou nanocelulose também são integrados aos fluxos de trabalho redesenhados.  

Essas inovações reduzem possíveis responsabilidades e custos de limpeza associados à contaminação por PFAS, além de possibilitar uma produção mais segura e em conformidade de diversos produtos. Elas também abrem caminho para sistemas de surfactantes verdes e revestimentos livres de flúor que atendem aos padrões de desempenho sem o uso de substâncias tóxicas.  

Como discutimos em nosso relatório sobre o panorama das PFAS, eliminar as PFAS é um desafio global, mas avanços recentes podem levar ao lançamento comercial de revestimentos livres de flúor em roupas, embalagens de alimentos e muito mais. Também poderemos ver em breve o desenvolvimento de surfactantes de base biológica e engenharia de processos sustentáveis.

Mecanoquímica e reações verdes: novos caminhos com síntese livre de solventes

A mecanoquímica utiliza energia mecânica — geralmente por meio de moagem ou moinhos de bolas — para impulsionar reações químicas sem a necessidade de solventes. Essa técnica possibilita transformações convencionais e inovadoras, incluindo aquelas que envolvem reagentes de baixa solubilidade ou compostos instáveis em solução. Ela tem sido cada vez mais utilizada para sintetizar produtos farmacêuticos, polímeros e materiais avançados, abrindo novas fronteiras na descoberta de reações e catálise.

Os solventes costumam representar uma parcela significativa dos impactos ambientais da produção farmacêutica e de produtos químicos finos; portanto, removê-los do processo é uma abordagem de fabricação sustentável que reduz o desperdício e aumenta a segurança. Por exemplo, sais orgânicos anidros têm aplicações potenciais como eletrólitos condutores de prótons orgânicos puros em células de combustível — que, por si só, são uma tecnologia de energia renovável que pode ajudar a reduzir as emissões. Pesquisadores usaram a mecanoquímica para sintetizar sais de ácido imidazol-dicarboxílico sem solventes, o que reduziu com sucesso o uso de solventes, proporcionou altos rendimentos e consumiu menos energia.

Esperamos ver reatores mecanoquímicos em escala industrial para a produção farmacêutica e de materiais nos próximos anos. Essa tecnologia também pode se expandir para a catálise assimétrica, transformações livres de metais e fabricação contínua. A descoberta orientada por IA de novas reações mecanoquímicas e catalisadores também é altamente promissora.

IA ajuda químicos a escolher o caminho mais sustentável

A otimização tradicional de reações muitas vezes prioriza o rendimento e a velocidade em detrimento dos custos ambientais. A IA na química permite que pesquisadores projetem reações que não sejam apenas eficazes, mas alinhadas aos princípios da química verde. A IA está transformando a pesquisa química ao permitir a modelagem preditiva de resultados de reações, desempenho de catalisadores e impactos ambientais.

Na química verde, as ferramentas de otimização por IA estão sendo treinadas para avaliar reações com base em métricas de sustentabilidade, como economia de átomos, eficiência energética, toxicidade e geração de resíduos. Esses modelos também podem sugerir vias sintéticas mais seguras e condições de reação ideais — incluindo temperatura, pressão e escolha de solvente — reduzindo assim a dependência da experimentação por tentativa e erro.

Como a IA pode ajudar nessa área? Ela pode:

• Prever como os catalisadores se comportarão sem a necessidade de testá-los fisicamente, o que reduz o desperdício, o consumo de energia e o uso de produtos químicos potencialmente perigosos. ‍
• Projetar catalisadores que apoiem uma produção de amônia mais ecológica para a agricultura sustentável, além de outros que otimizem células de combustível.
• Apoiar ciclos de otimização autônomos que integram a experimentação de alto rendimento com o aprendizado de máquina.  

À medida que as pressões regulatórias e de ESG aumentam, esses modelos preditivos e ferramentas baseadas em IA podem apoiar o desenvolvimento sustentável de produtos em setores como farmacêutico, ciência dos materiais e outros. 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 guiadas por IA que priorizam o impacto ambiental juntamente com o desempenho.

Reações em água e sobre a água possibilitando vias de síntese mais ecológicas  

A indústria química está sob pressão crescente para reduzir sua pegada ambiental. Os solventes orgânicos são um dos principais contribuintes para resíduos perigosos, poluição do ar e riscos à segurança. A água, por outro lado, não é tóxica, não é inflamável e é amplamente disponível. Por décadas, no entanto, presumiu-se que a água não poderia funcionar como solvente para catálise. Avanços recentes mostram que muitas reações podem ser realizadas dentro ou sobre a água — uma mudança de paradigma na química sustentável.

As reações em água e sobre a água são processos químicos que ocorrem dentro da água como solvente ou na interface entre a água e reagentes insolúveis em água. Essas reações aproveitam as propriedades únicas da água, como ligações de hidrogênio, polaridade e tensão superficial, para facilitar ou acelerar transformações químicas. As reações sobre a água geralmente ocorrem 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 ao atingir uma solução de nitrito de prata com elétrons. O projeto visava compreender melhor o controle do crescimento de nanopartículas e a eletroquímica impulsionada por plasma. A reação de Diels-Alder também foi acelerada com sucesso em água. Como essa reação é usada em inúmeras aplicações de química orgânica, realizá-la sem solventes tóxicos pode aprimorar a química verde em produtos farmacêuticos e diversos materiais.  

Substituir solventes orgânicos tóxicos por água possibilita vias de síntese e fabricação mais ecológicas. Isso também reduz os custos de produção e pode ampliar o acesso à síntese química em ambientes com poucos recursos e instituições educacionais. Esperamos ver:

• Adoção mais ampla de reações à base de água em pipelines de P&D farmacêutico.
• Desenvolvimento de novos catalisadores otimizados para ambientes aquosos.
• Integração com química de fluxo e sistemas de fabricação contínua.
• Expansão para a síntese de polímeros e materiais além de pequenas moléculas.
• Modelagem aprimorada de efeitos interfaciais para prever resultados de reações em meio aquoso.

Extração impulsionada por 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. A remoção de compostos bioativos de fluxos de resíduos é igualmente importante, porém os métodos tradicionais de extração para metais críticos e compostos bioativos costumam consumir muita energia, ser perigosos e prejudiciais ao meio ambiente.

Solventes eutéticos profundos (DES), no entanto, são misturas de doadores e aceitadores de ligação de hidrogênio que formam um eutético com um ponto de fusão inferior ao de qualquer um dos componentes. Esses solventes personalizáveis e biodegradáveis estão sendo usados para extrair metais críticos, como ouro, lítio e terras raras, e compostos bioativos, como polifenóis, flavonoides e lignina, de fluxos de resíduos, minérios e resíduos agrícolas. Os DES oferecem uma alternativa de baixa toxicidade e baixo consumo de energia aos solventes convencionais, como ácidos fortes ou compostos orgânicos voláteis (VOCs). Exemplos de DES incluem:

• ​​​Aceitador de ligação de hidrogênio (HBA): Tipicamente sais de amônio quaternário (por exemplo, cloreto de colina)
• Doador de ligação de hidrogênio (HBD): Compostos como ureia, glicóis, ácidos carboxílicos ou açúcares
• Proporção típica: 1:2 ou 1:3 (HBA:HBD)

Os DES alinham-se aos objetivos da economia circular, nomeadamente, permitindo a recuperação de recursos a partir de lixo eletrônico, baterias usadas e biomassa, minimizando emissões e resíduos químicos. Eles apoiam o desenvolvimento de biorrefinarias ao extrair compostos valiosos de subprodutos agrícolas. Também reduzem a dependência de solventes petroquímicos e expandem oportunidades de mercado para materiais sustentáveis.

Em um futuro próximo, esperamos ver uma expansão de sistemas baseados em DES para a recuperação industrial de metais e processamento de biomassa, além de formulações comerciais de DES adaptadas para aplicações alimentícias, farmacêuticas e cosméticas. A valorização de espectro total da biomassa também é possível com a integração de processos enzimáticos e de fermentação.

A química verde afeta todas as indústrias e campos e, à medida que a pesquisa avança, ela se tornará mais comum, acessível e ambientalmente sustentável.

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