Grazie al lavoro di alcuni ricercatori spagnoli, è ormai possibile fabbricare prodotti industriali come plastica, prodotti farmaceutici e detergenti senza utilizzare solventi tossici o metalli pesanti. Si tratta del risultato raggiunto da un gruppo di ricerca dell’Istituto di Tecnologia Chimica (ITQ), centro misto del Consiglio Superiore di Ricerca Scientifica (CSIC) e dell’Università Politecnica di Valencia (UPV), che ha sviluppato un nuovo metodo per realizzare una reazione fondamentale nell’industria chimica, l’epossidazione degli alcheni, utilizzando solo ossigeno o aria, senza bisogno di catalizzatori o solventi.
Reazione industriale
Come descritto dal CSIC, “l’epossidazione degli alcheni è una reazione fondamentale nell’industria chimica, in cui un alchene, una molecola organica formata da carbonio e idrogeno, si trasforma in un epossido, un composto molto reattivo che è molto utile in molte reazioni chimiche e industriali”.
Sono essenziali, tra l’altro, nella produzione di plastiche e resine epossidiche (polimeri di grande resistenza e versatilità utilizzati nell’edilizia, nell’informatica o nell’automotive), nonché nella fabbricazione di prodotti farmaceutici, detergenti, profumi e aromi.
Come pezzi di Lego
«Per quanto riguarda l’epossidazione degli alcheni, dobbiamo immaginare che gli alcheni sono come pezzi di Lego fatti solo di carbonio e idrogeno, con un doppio legame tra due dei loro atomi di carbonio. Questo doppio legame è una sorta di punto debole, dove la molecola è più reattiva», spiega Antonio Leyva Pérez, ricercatore scientifico del CSIC presso l’ITQ (UPV-CSIC) e coautore della ricerca.
L’epossidazione è la reazione chimica che prende questi pezzi di Lego, gli alcheni, e aggiunge un atomo di ossigeno performare una struttura di tre atomi, due di carbonio e uno di ossigeno», sottolinea il ricercatore.
“Il risultato è un nuovo composto, l’epossido, molto più reattivo e versatile, un elemento chiave che apre molte porte nel campo della chimica”, aggiunge Leyva Pérez.
Vanadio e titanio
Finora, uno dei metodi più comuni per ottenere epossidi è l’epossidazione catalitica, un processo chimico in cui gli alcheni ottengono l’atomo di ossigeno dall’idrogeno perossido, comunemente noto comeacqua ossigenata.
Tuttavia, affinché il perossido ceda l’atomo di ossigeno agli alcheni è necessario l’uso di catalizzatori, dove vengono utilizzati metalli come il vanadio o il titanio, che agiscono come “mediatori molecolari” per convertire gli alcheni in epossidi.
Tuttavia, l’innovativo metodo sviluppato dall’ITQ consente di ottenere epossidi senza l’uso di catalizzatori, cosa che era considerata impossibile fino ad ora. Inoltre, i risultati mostrano alti livelli di rendimento e una selettività fino al 90%, percentuale che si riferisce alla preferenza di una reazione chimica per formare un composto specifico, quando esiste la possibilità che si verifichino diversi risultati.
Un risultato senza precedenti
Per ottenere questo risultato, il sistema utilizza diverse modalità: la reazione può essere effettuata utilizzando aria a pressioni moderate (tra 3 e 5 bar); mediante il contatto diretto con l’aria, dove la reazione può avvenire spontaneamente a temperatura ambiente, cosa anch’essa senza precedenti fino ad ora; e applicando ossigeno e calore, con temperature comprese tra 100 e 200 °C.
Questo processo può essere effettuato in un comune pallone aperto all’aria per diverse ore, consentendo di aumentare significativamente la produzione attuale. La reazione avviene attraverso una serie di interazioni tra gli alcheni allo stato liquido e l’ossigeno dell’aria. In queste condizioni, gli alcheni reagiscono formando radicali, particelle altamente reattive in grado di attivare l’ossigeno dell’aria.
Questo genera un superossido, ovvero un radicale libero o una molecola con un elettrone spaiato (senza altri elettroni nella stessa regione attorno al nucleo di un atomo) che reagisce con gli alcheni attivati per formare un prodotto intermedio che, a sua volta, interagisce con altro ossigeno per dare origine al prodotto finale: un epossido.
Solo con l’aria
«Grazie a questo processo, è possibile eliminare sia l’acqua ossigenata che gli additivi e il solvente utilizzati finora nell’industria, sostituendoli semplicemente con l’aria.
In questo modo, i costi di produzione si riducono di oltre il 50%», afferma Judit Oliver, ricercatrice del CSIC presso l’ITQ (UPV-CSIC) e coautrice della ricerca.
Sostenibile e scalabile a livello industriale
Oltre ad essere sostenibile, questo metodo si distingue per la sua semplicità, poiché per portare a termine la reazione richiede solo alchene puro e aria o ossigeno come unici reagenti. Può essere applicato anche a diversi tipi di alcheni, compresi quelli derivati dalla biomassa.
Un altro vantaggio è che può essere integrato direttamente in processi chimici molto comuni, come ad esempio la preparazione di polimeri, lubrificanti e farmaci.
“Questo apre nuove opportunità per la sintesi in un unico passaggio o one-pot, in cui tutti i reagenti vengono combinati in un unico recipiente senza necessità di isolare o purificare gli intermedi formati tra ogni passaggio”, spiega Susi Hervàs Arnandis, ricercatrice pre-dottorato presso l’ITQ (UPV-CSIC) nella cui tesi si inserisce questo lavoro.
Più sicuro, sostenibile ed economico
Il nuovo metodo può quindi essere combinato con altri processi di sintesi in un unico reattore e ha un basso costo operativo perché richiede meno fasi, meno materiali e attrezzature più semplici rispetto a quelli tradizionalmente utilizzati per ottenere la stessa reazione. Ciò significa che è più facile da scalare a livello industriale.
“Con la scalabilità a livello industriale, i reattori specifici utilizzati per l’acqua ossigenata possono essere sostituiti con altri più semplici, poiché l’acqua ossigenata è molto corrosiva ed esplosiva, ottenendo un processo più sicuro, più sostenibile e più economico”, assicura il ricercatore del CSIC Antonio Leyva.
Gruppo di ricerca
Il mercato globale degli epossidi alchilici è stato valutato in circa 70 miliardi di euro nel 2024 e dovrebbe raggiungere circa 90 miliardi nel 2028, con un tasso di crescita annuale composto (CAGR) tra il 3 e il 6%, secondo quanto spiegato nell’articolo di Nature.
Il lavoro è stato svolto dal Gruppo di Catalisi per Reazioni Organiche Sostenibili dell’ITQ, nell’ambito della tesi di dottorato di Susi Hervàs Arnandis, diretta congiuntamente da Judit Oliver Meseguer e Antonio Leyva Pérez.
Allo studio hanno inoltre partecipato come coautori Francisco Garnes Portolés e Silvia Rodríguez Nuévalos, ex membri del gruppo di ricerca. I risultati ottenuti sono protetti da brevetto registrato.