Química Ambiental · Green chemistry
Química verde
Una lección resuelta gratis y 40 problemas de práctica en los que dibujas tú mismo cada flecha curva.
¿Atascado con química verde? Escanea el problema.
Toma una foto de la reacción de tu tarea o de tu libro y dibuja su mecanismo con cada flecha revisada. 1 escaneo gratis ya, sin registrarte; 1 más con una cuenta gratuita.
Después, Scan Standard: /mes
Lo que aprenderás
- Match process changes to the twelve principles of green chemistry.
- Calculate atom economy, E-factor, process mass intensity, reaction mass efficiency and turnover number from stated masses and molar masses.
- Compare catalytic and stoichiometric routes, using the Boots and BHC syntheses of ibuprofen as the model case.
- Choose safer solvents and reagents, such as dimethyl carbonate in place of dimethyl sulfate or phosgene, and explain the mechanisms that make them work.
- Draw mechanisms that turn renewable feedstocks and CO₂ into products, and explain how molecular structure controls biodegradability.
Lección gratis
El texto de la lección resuelta. En Arrow Lab, cada paso incluye sus estructuras y sus flechas dibujadas.
Leer la lección gratis (7 partes)
Doce principios, una idea
La química verde diseña los peligros y los residuos fuera del proceso en lugar de tratarlos después. Los doce principios son: prevenir residuos; maximizar la economía atómica; usar síntesis menos peligrosas; diseñar sustancias químicas más seguras; usar disolventes y auxiliares más seguros; diseñar para la eficiencia energética; usar materias primas renovables; reducir derivados como los grupos protectores; preferir reactivos catalíticos frente a los estequiométricos; diseñar productos que se degraden; analizar en tiempo real para prevenir la contaminación; y elegir una química intrínsecamente más segura para prevenir accidentes. La mayoría de las mejoras reales cumplen varios principios a la vez.
Economía atómica
Economía atómica (AE) = masa molar del producto deseado ÷ suma de las masas molares de todos los reactivos en la ecuación balanceada × 100%. Mide cuánta de la masa de los reactivos puede acabar en el producto incluso con un rendimiento del 100%. Las adiciones, las cicloadiciones y los reordenamientos llegan al 100%; las sustituciones y las eliminaciones siempre forman subproductos. Al preparar 1-bromobutano a partir de butan-1-ol, NaBr y H₂SO₄ se obtiene AE = 137.02 ÷ (74.12 + 102.89 + 98.07) = 49.8%, porque también se forman NaHSO₄ y agua. Los catalizadores y los disolventes se dejan fuera de la economía atómica porque no aparecen en la ecuación balanceada.
Factor E, PMI y eficiencia de masa de la reacción
El factor E es la masa de residuos por masa de producto; cuenta el disolvente no recuperado, los reactivos en exceso, los subproductos y las pérdidas de rendimiento, y normalmente deja fuera el agua. La intensidad de masa del proceso (PMI) es la masa total introducida por masa de producto, de modo que PMI = E + 1 cuando ambas se cuentan sobre la misma base. Los factores E típicos van desde menos de 0.1 en el refino del petróleo hasta alrededor de 1–5 para productos químicos básicos, 5–50 para productos químicos finos y 25–100 o más para fármacos, principalmente por los disolventes y las síntesis de varios pasos. La eficiencia de masa de la reacción (RME) = masa de producto aislado ÷ masa total de reactivos; a diferencia de la economía atómica, disminuye cuando se usa un exceso de un reactivo o el rendimiento es bajo.
Catálisis: dos rutas hacia el ibuprofeno
La síntesis original de ibuprofeno de Boots requería seis pasos con reactivos estequiométricos, incluido AlCl₃ para una acilación de Friedel–Crafts, y tenía una economía atómica de alrededor del 40%. La ruta de BHC requiere tres pasos catalíticos: acilación del isobutilbenceno con anhídrido acético en HF anhidro, que actúa como catalizador y disolvente y se recupera; hidrogenación de la cetona sobre níquel Raney; y carbonilación catalizada por paladio del alcohol con CO. Su economía atómica es de alrededor del 77%, y cercana al 99% cuando se recupera el subproducto ácido acético. El AlCl₃ debe usarse en un equivalente completo porque el producto cetónico se une a él; un verdadero catalizador se regenera, y su eficiencia se mide por el número de recambio, los moles de producto por mol de catalizador.
Disolventes y reactivos más seguros
Los disolventes suelen ser la mayor parte de los residuos. Las guías de selección de disolventes farmacéuticos, como la guía CHEM21, clasifican el etanol, el agua y el acetato de etilo como recomendados, el tolueno como problemático, el diclorometano como peligroso y el benceno como muy peligroso. El 2-metiltetrahidrofurano, obtenido de biomasa, se separa limpiamente del agua, a diferencia del THF. El CO₂ supercrítico (por encima de 31 °C y 74 bar) es un disolvente no tóxico que no deja residuo cuando se libera la presión. El carbonato de dimetilo es un reactivo de baja toxicidad que sustituye al sulfato de dimetilo o al yoduro de metilo para la metilación, y al fosgeno para preparar carbamatos: a unos 90 °C las aminas atacan a su carbono carbonílico, mientras que por encima de unos 120 °C los fenóxidos atacan a un grupo metilo y el grupo saliente carbonato de metilo se descompone en CO₂ y metóxido.
Materias primas renovables y diseño para la degradación
La biomasa aporta el carbono que de otro modo proporcionaría el petróleo. La fructosa pierde tres moléculas de agua para dar 5-(hidroximetil)furfural, un producto químico de plataforma; la fermentación de azúcares da ácido láctico, el monómero del ácido poliláctico; los aceites vegetales se transesterifican con metanol para dar biodiésel; y el CO₂ se adiciona a los epóxidos para dar carbonatos cíclicos con 100% de economía atómica. Renovable y biodegradable son propiedades distintas: el polietileno fabricado a partir de etanol de caña de azúcar es renovable, pero persiste. Las moléculas se degradan cuando los microbios pueden atacarlas, así que los enlaces éster y las cadenas lineales ayudan, mientras que los carbonos cuaternarios y las cadenas perfluoradas resisten la degradación.
Lo que conviene recordar
Mide el carácter verde con números: economía atómica a partir de la ecuación balanceada, factor E y PMI a partir de masas reales, número de recambio para los catalizadores. Luego mejora el proceso usando catalizadores en lugar de reactivos estequiométricos, eligiendo disolventes y reactivos más seguros como el carbonato de dimetilo, partiendo de carbono renovable y diseñando productos que se degraden.
Problemas de práctica (40)
Practicar es gratis con una cuenta.
Dibuja el mecanismo 6
Catálisis y las rutas del ibuprofeno
- Aciliación de Friedel–Crafts del isobutilbenceno catalizada por HF (ruta BHC del ibuprofeno)Dibuja el primer paso de la síntesis BHC del ibuprofeno: el HF protona el anhídrido acético, se forma el ion acetilo, este ataca el isobutilbenceno en para respecto al grupo alquilo, y el fluoruro restaura el anillo aromático y regenera el HF.
Materias primas renovables y degradación
- Metanólisis de un triglicérido catalizada por base (biodiésel)Dibuja la transesterificación catalizada por metóxido que convierte un éster de un triglicérido en un éster metílico, la reacción que se usa para producir biodiésel a partir de aceites vegetales.
- Reacción de Diels–Alder del furano de origen biológico con anhídrido maleicoDibuja la cicloadición de Diels–Alder concertada del furano y el anhídrido maleico, una reacción con 100 % de economía atómica de un dieno derivado de biomasa, y explica por qué se aísla el aducto exo.
- Adición de CO₂ al óxido de propileno catalizada por bromuroDibuja la cicloadición del CO₂ al óxido de propileno catalizada por haluro: apertura del anillo por el bromuro, captura del CO₂ por el alcóxido y cierre del anillo que da carbonato de propileno y regenera el bromuro.
Disolventes y reactivos más seguros
- Metil carbamato a partir de butilamina y carbonato de dimetiloDibuja la adición–eliminación de butilamina en el carbono carbonílico del carbonato de dimetilo que da metil N-butilcarbamato, una ruta sin fosgeno hacia carbamatos e isocianatos.
- Metilación del fenol con carbonato de dimetiloDibuja la O-metilación del fenol por el carbonato de dimetilo catalizada por base: ataque SN2 del fenóxido sobre un grupo metilo, fragmentación del metil carbonato a CO₂ y metóxido, y regeneración del fenóxido.
Predice el producto 3
Catálisis y las rutas del ibuprofeno
- Tercer paso BHC: carbonilaciónPredice el producto de la carbonilación catalizada por paladio que completa la ruta BHC del ibuprofeno.
- Segundo paso BHC: hidrogenación de la cetonaPredice el producto del paso de hidrogenación catalítica en la ruta BHC del ibuprofeno.
Materias primas renovables y degradación
- Deshidratación de la fructosaPredice el compuesto químico de plataforma que se forma cuando la fructosa pierde tres moléculas de agua.
Clasificar 7
Atom economy calculations
- Which reaction wastes no atoms?Recognise that addition reactions reach 100% atom economy while substitutions, eliminations and condensations do not.
Principios y métricas verdes
- No almacenes el peligroRelaciona el almacenamiento de un gran inventario de un intermediario tóxico con el principio de la química intrínsecamente más segura.
- Deja de generar el residuoIdentifica el principio de prevención a partir de un cambio que elimina un flujo de residuos en su origen.
- Una sonda de IR en líneaReconoce el análisis en tiempo real para la prevención de la contaminación en un esquema de monitoreo en proceso.
- Una enzima elimina un paso de grupo protectorIdentifica el principio de reducir derivados cuando un paso enzimático elimina la necesidad de un grupo protector.
Materias primas renovables y degradación
- Renovable no es lo mismo que biodegradableClasifica polímeros según si provienen de materias primas renovables y si son biodegradables, tratando estas propiedades como independientes.
Disolventes y reactivos más seguros
- Un oxidante que solo deja aguaIdentifica el oxidante cuyo único subproducto tras transferir oxígeno es agua.
Comparar 6
Atom economy calculations
- Rank four reactions by atom economyCompute and rank the atom economies of an elimination, a substitution, a condensation and a cycloaddition.
Catálisis y las rutas del ibuprofeno
- Por qué la ruta BHC del ibuprofeno genera menos residuosCompara las síntesis de ibuprofeno de Boots y de BHC según el número de pasos, el tipo de reactivo y la economía atómica.
Principios y métricas verdes
- Cómo se relacionan el factor E y la PMIRelaciona el factor E con la intensidad de masa del proceso usando el balance de masas de un proceso.
- Residuos por kilogramo en toda la industria químicaOrdena los sectores industriales según su factor E típico y relaciona la tendencia con el volumen y el número de pasos.
Disolventes y reactivos más seguros
- Ordena disolventes con una guía de selecciónOrdena disolventes comunes según su posición en la guía de selección de disolventes farmacéuticos CHEM21.
Materias primas renovables y degradación
- ¿Qué surfactante degradan los microorganismos?Compara estructuras de surfactantes para decidir cuál es fácilmente biodegradable, aplicando el principio de diseñar para la degradación.
Calcular 8
Catálisis y las rutas del ibuprofeno
- Economía atómica de la ruta BHC del ibuprofenoCalcula la economía atómica global de la síntesis BHC del ibuprofeno en tres pasos a partir de su ecuación neta.
- Número de recambio de un catalizador de paladioCalcula el número de recambio de un catalizador a partir de su carga y del rendimiento de la reacción.
Cálculos de economía atómica
- Economía atómica de la obtención de 1-bromobutanoCalcula la economía atómica de una sustitución de alcohol a bromuro de alquilo que usa NaBr y ácido sulfúrico.
- Economía atómica de formar un carbonato cíclico a partir de CO₂Calcula la economía atómica de la adición catalítica de CO₂ a un epóxido.
- Eficiencia de masa de reacción de una esterificaciónCalcula la eficiencia de masa de reacción cuando uno de los reactivos se usa en exceso y el rendimiento es menor que el 100%.
- Economía atómica de una metilenación de WittigCalcula la economía atómica de una reacción de Wittig y observa el costo del subproducto óxido de trifenilfosfina.
Disolventes y reactivos más seguros
- Economía atómica de la metilación con carbonato de dimetiloCalcula la economía atómica de la O-metilación del fenol con carbonato de dimetilo.
Principios y métricas verdes
- Factor E con recuperación de disolventeCalcula un factor E a partir del balance de masas de un lote en el que se recupera la mayor parte del disolvente.
Encuentra el error 2
Principios y métricas verdes
- ¿Un Diels–Alder perfectamente verde?Diagnostica por qué una economía atómica del 100% no hace verde a un proceso cuando los residuos de disolvente y purificación son los dominantes.
Materias primas renovables y degradación
- El biodiésel a partir de aceite de cocina usado sale malDiagnostica por qué los ácidos grasos libres de un aceite usado arruinan una reacción de biodiésel catalizada por base y elige la solución.
Interpreta la evidencia 1
- Rendimiento alto, economía atómica bajaInterpreta juntos los datos de rendimiento y economía atómica para juzgar qué fracción de la masa de los reactivos se convierte en producto.
Trabaja hacia atrás 1
- Trabajar hacia atrás desde el ácido polilácticoIdentifica el monómero del ácido poliláctico obtenido por fermentación a partir de la unidad repetitiva del polímero.
Planea una síntesis 2
Catálisis y las rutas del ibuprofeno
- Elige la oxidación de alcohol más verdePlanifica una oxidación de alcohol comparando oxidantes catalíticos y estequiométricos por sus subproductos y peligros.
Disolventes y reactivos más seguros
- Sustituir el THF en un tratamiento (workup) de GrignardElige un disolvente etéreo derivado de la biomasa que se separe del agua para sustituir al THF.
Explica por qué 4
Catálisis y las rutas del ibuprofeno
- Por qué el AlCl₃ no es un catalizador en la acilaciónExplica por qué la acilación de Friedel–Crafts consume un equivalente completo de AlCl₃ y cómo la ruta BHC evita ese desperdicio.
Disolventes y reactivos más seguros
- Economía atómica similar, peligro distintoExplica por qué se prefiere el carbonato de dimetilo al sulfato de dimetilo aunque sus economías atómicas sean similares.
- Descafeinar el café con CO₂ supercríticoExplica por qué el CO₂ supercrítico se considera un disolvente verde para la extracción.
Cálculos de economía atómica
- Uso de etanol en excesoExplica cómo un exceso estequiométrico de un reactivo afecta de forma distinta a la economía atómica y al factor E.
¿Atascado con química verde? Escanea el problema.
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Después, Scan Standard: /mes