Economía atómica: El paradigma en la industria química


19 septiembre, 2019

La economía atómica produjo un cambio de paradigma en la industria química, pues se comenzaron a estudiar las reacciones en términos de la cantidad de reactivos de manera tal que, en una transformación química ideal, el uso de solventes, la recuperación del catalizador, la energía y la toxicidad, se deben considerar como el objetivo final y la base de selección para llevar a cabo los procesos más ecológicos posibles, sin dejar de lado el rendimiento.

El concepto de economía atómica fue introducido en 1991 por Barry M. Trost, profesor de Ciencias en la Universidad de Stanford. Antes de que esto ocurriera, la eficiencia de una reacción química se cuantificaba mediante el rendimiento del producto, con un valor ideal del 100%.

Cálculo de la economía atómica

Debido a que el cálculo de la economía atómica está basado principalmente en la relación de peso molecular M del producto final dividido por la suma de todos los reactivos, es posible determinar su valor antes de emprender cualquier trabajo experimental. Usualmente la economía atómica se expresa como un porcentaje que, para una reacción química estequiométrica genérica en la que se sintetiza el compuesto C, está dado como se indica a continuación:

Este cálculo también se puede aplicar a un proceso que involucre varias etapas, pero se omiten los intermedios que se forman en un paso y se consumen en otro posterior.

Aunque, en general, se trata de un cálculo sencillo, es necesario hacer ciertas suposiciones sobre reactivos, catalizadores y la estequiometría de la reacción para el cálculo de la economía atómica:

  • Un reactivo será cualquier material que se incorpora en un producto intermedio o producto final durante la síntesis. Esto incluye grupos protectores, catalizadores utilizados en cantidades estequiométricas y ácidos o bases utilizados en hidrólisis. Los solventes o materiales utilizados como catalizadores no se consideran, pues sus átomos no contribuyen a la formación de un producto intermedio y/o producto final.
  •  La ecuación química, que incluye todos los materiales y productos de partida, debe haber sido equilibrada total y correctamente. Por ejemplo, si se consumen tres equivalentes de K2CO3 (carbonato de potasio) durante una transformación como la reacción de Suzuki, estos también se deben incluir en el cálculo de la economía atómica.

  • Aunque la economía atómica se refiere a la cuantificación del material reactivo consumido, es importante considerar que su cálculo no refleja masas y volúmenes experimentales reales.

Catálisis, industria química e innovación

Teniendo como principal objetivo maximizar la incorporación de átomos reactivos en los productos finales, muchos químicos han centrado su atención en la adopción y el desarrollo de procesos que son inherentemente eficientes con respecto a los átomos, entre los que destacan la aplicación y el desarrollo de sistemas catalíticos para la industria química debido a su mayor selectividad y eficiencia en las síntesis orgánicas.

Los catalizadores se muestran como una vía de reacción alternativa con estados de transición energéticos más bajos, así como también una menor energía de activación con respecto al paso que determina la velocidad la de reacción; el proceso de catálisis promueve reacciones en el átomo que usualmente se verían desfavorecidas energéticamente.

De esta manera y, mediante el uso de estrategias heterogéneas, homogéneas y biocatalíticas, es posible reducir (e incluso eliminar) ciertas restricciones como pasos de síntesis adicionales, componentes estequiométricos e insumos que incrementan el consumo energético. En consecuencia, no solo es posible llevar a cabo síntesis más verdes, sino también con mayor economía atómica.

Más allá de la economía atómica ideal en la industria química

Como la economía atómica refleja la fuerza intrínseca de una reacción química equilibrada, con frecuencia se aleja de los objetivos más amplios de síntesis y química verde. 

Aunque la industria química se enfoca en el rendimiento, una alternativa más apropiadas para estudiar la eficiencia y el nivel de impacto ambiental de una síntesis es el empleo de los análisis multimétricos. Sin embargo, no se deben alcanzar los extremos pues, en algunos casos, una alta economía atómica y una reducción en el desperdicio pudiera eclipsar el buen rendimiento del producto final.

Referencia

Dicks, A. P., & Hent, A. (2014). Green chemistry metrics: a guide to determining and evaluating process greenness. Springer.

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