Esiste una chimica ecologica che renda possibile sviluppare una economia ecologica e che sia quindi capace di ridurre l’impatto nocivo che i rifiuti provenienti dagli scarti delle produzioni industriali hanno sull’ecosistema? Per scoprirlo, siamo andati all’Università di Pisa, presso il dipartimento di chimica industriale, al fine di trovare la risposta a queste domande.

PRESENTAZIONE DI CORRADO MALANGA

Sono Corrado Malanga, sono ricercatore al dipartimento di Chimica e Chimica Industriale dell’Università di Pisa, attualmente tengo i corsi di Chimica Organica Uno per la chimica industriale con indirizzo ambientale, e il corso di Chimica Organica Sostenibile, definita anche Green Chemistry (la “chimica verde”), che è quella cosa che tecnicamente dovrebbe aiutare il chimico a non inquinare, non sporcare e a trattare la materia dell’environment [ossia dell’ambiente – NdR] in modo più specifico per evitare che i nostri figli vivano in un mondo invivibile.

CHE COS’È LA CHIMICA INDUSTRIALE?

La chimica industriale è quella parte della chimica che s’interessa di utilizzare tutti quelli che sono gli strumenti messi a disposizione dall’industria per produrre sostanze che possano essere d’interesse per la comunità. Queste sostanze sono non solo i farmaci – e quindi abbiamo una chimica industriale farmaceutica – ma sono, per esempio, i materiali. Ricordiamo che l’Italia ha un unico premio Nobel per la chimica, Giulio Natta, che ha preso il premio Nobel con Karl Ziegler. Natta ha preso il premio Nobel per la polimerizzazione del propilene, e c’ha fatto il polipropilene. Il propilene è una sostanza che, polimerizzata, ha dato origine al mondo della plastica. Qualcuno avrà sentito parlare negli anni sessanta del moplen. E tutto quello che, negli anni sessanta, circondava i nuovi materiali era fatto di plastica. Poi verrà il problema di come smaltire questa plastica, perché allora non ci si rendeva conto che gli industriali avevano creato un prodotto che poi con il tempo non si sapeva più smaltire; ma questo sarà un problema. Il problema della chimica industriale è produrre qualcosa che possa servire, quindi, alla popolazione: i coloranti, le fibre, i materiali in generale, oltre che i farmaci. Tutto ciò che si produce dunque in grande quantità e che pertanto è ovviamente soggetto a problemi di inquinamento, a problemi di reperibilità delle materie prime che vengono utilizzate, a problemi economici in generale, a problemi che riguardano l’uso del territorio. Da questo punto in poi ecco che nasce l’esigenza di una chimica “green”, cioè di una chimica verde, di una chimica sostenibile. L’esigenza viene dopo aver compreso la chimica industriale e le sue problematiche, perché solo dopo che grandi quantità di materiali sono state fatte e grandi quantità di solventi sono state utilizzate nell’industria ci siamo resi conto che avevamo ottenuto anche grandi quantità d’inquinamento come un sottoprodotto di cui all’inizio non ci si rendeva perfettamente conto.

CHE COS’È LA CHIMICA ORGANICA?

La chimica organica è quella chimica che s’interessa delle proprietà e delle trasformazioni delle molecole sostanzialmente fatte – principalmente – da atomi di carbonio. Quindi, viene chiamata anche carbochimica. La chimica organica è prettamente sintetica. Si sintetizzano questi prodotti, si caratterizzano attraverso le più svariate tecniche chimico-fisiche le quali servono solo per caratterizzare i prodotti. Le tecniche chimico-fisiche sono di chimica-fisica, la chimica organica è la sintesi, la comprensione delle proprietà, la trasformazione di prodotti chimici il cui scheletro principale è fatto di atomi di carbonio. In questo contesto, la chimica organica s’interessa di quella cosa che gli americani chiamano FGC, “Functional Group Interconvertion”: interconversione di gruppi funzionali. Più sistemi io ho per trasformare un gruppo funzionale in un altro (un acido in un ammina, un’aldeide in un chetone, una paraffina in un alchene) e più approcci io ho per costruire, da una molecola “piccola”, una molecola “grande”. La molecola “piccola” ha poco valore aggiunto, costa poco. […] La molecola “grande”, che probabilmente avrà dentro di sé più funzionalità, più funzioni, ha alto valore aggiunto. Una molecola con più funzionalità può essere un farmaco, per esempio. E quindi comprendere che la sintesi di quel farmaco può essere fatta in diversi modi ci permette di scegliere quale sia il modo migliore per poter arrivare alla “molecola target“, cioè alla molecola bersaglio.

«Vi ricordo che la chimica organica tedesca, nel dopoguerra, e durante la guerra, ha dovuto risolvere dei problemi di questo tipo. Non avendo le colonie, i tedeschi non avevano quelle zone da cui estrarre i principii attivi che invece gli americani magari avevano. Lì hanno dovuto sviluppare la chimica di sintesi, la chimica di base. Fondamentale è la chimica di base organica tedesca.»

In questo contesto, tutti quelli che sono i parametri di conoscenza della trasformazione di gruppi funzionali tra di loro è importantissima, perché non solo c’è lo studio della chimica con le proprietà degli atomi (carbonio, e cloro e azoto e idrogeno che sono “attaccati” al carbonio) ma c’è anche l’idea – e il chimico industriale deve tenerne tenerne conto – di quanto costa questa roba. Non solo in termini economici, o in termini di persone che ci lavorano, ma in termini di idee, in termini di inquinamento. Per esempio: ritorniamo all’inquinamento. L’inquinamento ha un costo, perché dopo che io ho inquinato devo spendere dei soldi per eliminare l’inquinamento che io stesso ho prodotto. Allora, se io in questo contesto, all’interno della chimica organica, conosco perfettamente il modo di passare da un composto funzionale a un altro senza inquinare (o inquinare poco) ecco che il mio bagaglio di chimica organica è sostanzialmente fondamentale per essere un chimico “green”.

E QUINDI COS’È LA GREEN CHEMISTRY?

La Green Chemistry è quella parte, quella branca – abbastanza moderna – della chimica organica soprattutto, che cerca di utilizzare tutti quegli accorgimenti che permettano al chimico organico di fare il suo lavoro senza inquinare. Quindi, abbiamo una Green Chemistry che permette alla chimica organica di lavorare bene e la chimica organica permette alla chimica industriale di produrre grandi quantità di prodotti senza inquinare. […] È evidente che in quest’ottica fare delle reazioni moderne, pulite, “green” prevede che il chimico (che è colui che conosce la chimica) vada dal padrone dell’industria e gli dica: «caro padrone dell’industria, tu stai facendo questo processo in questo modo. Se tu mi permetti, io propongo delle varianti. Queste varianti otterranno il seguente scopo: primo, non s’inquinerà (o s’inquinerà meno di quello che stiamo facendo ora); secondo, tu guadagnerai di più!». Questo è fondamentale perché, se non s’introduce l’idea del “tu guadagnerai di più”, il capo dell’industria diventa poco sensibile all’idea del cambiamento. In quanto un cambiamento si prevede che comunque costerà e quindi il capo dell’industria, se non è obbligato da qualche legge politica particolare a modificare forzosamente il suo processo industriale, non lo farà mai. Per cui, chi sa come fare deve proporre. «Noi dobbiamo fare questo prodotto», dice il padrone dell’industria perché ha sottomano l’idea del mercato: lui vuole fare quel prodotto per venderlo. Bene: e tu, che sei colui che conosce la chimica, gli dici «sì, ma così non lo possiamo fare. Sarebbe meglio farlo in quest’altro modo». Oppure: «noi stiamo facendo già da anni questo prodotto. È ora di cambiare. Dobbiamo farlo in un altro modo, ma… tranquilli, perché alla fine guadagneremo». L’industria produrrà con un costo inferiore, e solo così il capo dell’industria accetterà la variazione.

Il dodecalogo su cui la Green Chemistry si basa.

La Green Chemistry si basa sostanzialmente su 12 fondamentali punti, una specie di dodecalogo del chimico, fra cui alcuni sono di natura etica come per esempio “è meglio prevenire che, poi, cercare di risolvere i problemi” che indebitamente, inconsapevolmente e incoscientemente sono stati prodotti. Un altro punto di questo dodecalogo è: “cerchiamo di usare reazioni che non utilizzino prodotti che possano essere nocivi alla salute”. Non utilizziamo prodotti che in qualche modo possano creare dei problemi: roba che s’incendia, roba che crea delle difficoltà operative e manipolative. Non cerchiamo di progettare sintesi che usino un composto, con tanti atomi di carbonio, che poi verrà ridotto a molecole (che sono quelle d’interesse) le quali hanno meno atomi di carbonio, perché questo vorrebbe dire semplicemente buttare via un pezzo della molecola. In questo contesto, la Green Chemistry cerca sempre di partire da un composto piccolo e farlo diventare sempre più complicato, più grande. Accrescerne la struttura, ma mai fare il contrario. Un’altra ipotesi di lavoro è, nella Green Chemisty, cercare di utilizzare sempre la minor quantità possibile di solvente. Ricordiamo che i solventi, nell’industria mondiale, incidono per l’85% dell’inquinamento. Questo […] vuol dire che, se noi riusciamo a costruire un processo per sintetizzare il nostro prodotto (che poi andrà venduto sul mercato) utilizzando solventi non pericolosi, oppure non utilizzando per niente solventi, oppure utilizzando le reazioni in acqua, ecco che la Green Chemistry ha ottenuto il risultato che voleva ottenere.

«Questa reazione si fa senza solvente: che meraviglia le reazioni senza solvente. Togli i solventi e sei un ganzo.»

In questo contesto, il chimico organico […] deve sapere che l’uso dell’etere etilico – che è uno dei solventi più utilizzati in un normale laboratorio – non è proprio “amato” dalla chimica industriale, perché l’etere etilico bolle a 35 gradi, se non stai attento prende fuoco, lo si respira poiché ha una tensione di vapore tale per cui se anche tu sei lontano 10 metri l’atmosfera del laboratorio viene riempita di solvente e tu lo respiri. Anche se ci sono tutte le cappe del mondo, tu lo respiri lo stesso e, chiaramente, il tuo fegato non ne gode. Allora, al posto dell’etere etilico, bisogna usare qualcos’altro. Qualcosa che abbia […] capacità di non prendere fuoco, che abbia un punto di ebollizione più alto quindi una tensione di vapore più bassa, che non sia nocivo. E dunque ci sono dei solventi alternativi che possono essere utilizzati.

«Queste reazioni non si possono più fare. Non si può più usare il fosgene, non si può più usare il POCl₃ , non si può più usare il PCl₅ , il PBr₃ , lo SOCl₂ … Tutti quei reagenti, che normalmente si utilizzavano, non si possono più adoperare. E allora bisogna trovare un modus “green” per fare questo tipo di reazioni.»

In questo ambito, un altro punto importante è per esempio l’uso dei gruppi protettivi. In chimica organica, quando c’è una molecola dotata di tante “posizioni” capaci di reagire al reattivo che tu stai mettendo dentro la molecola per ottenere un prodotto successivo nella scala di reazione, questo prodotto (ossia questa molecola) deve reagire solo con uno dei tanti gruppi che potrebbero reagire. Sicché gli altri gruppi devono essere protetti. Di conseguenza si fanno delle reazioni per proteggere questi gruppi. Poi si fa la reazione sul gruppo che non è stato protetto. Quindi vanno deprotetti tutti i gruppi, i quali devono tornare a essere com’erano precedentemente. Si tratta così di due passaggi in più: prima devi proteggere, e poi devi deproteggere. Questo vuol dire che l’apparecchiatura va lavata due volte, che il solvente si usa due volte (e pertanto va purificato due volte), che si deve usare due volte l’operaio, con il suo tempo (che ha un costo tremendo). Non “se puede”.

Ecco, tutta la chimica organica dei gruppi protettivi non può essere più utilizzata pur essendo una chimica organica estremamente efficace in laboratorio, per la ricerca, ma non più sull’impianto pilota e tanto meno sull’impianto industriale. Quindi esiste tutta una serie di regole che chi conosce la Green Chemistry deve mettere in atto assolutamente in quanto, da un punto di vista sia economico in generale che dal punto di vista della salute del nostra pianeta, non ci possiamo prendere il lusso di procedere così senza criterio. Le reazioni devono essere tutte ragionate. Questo è un po’ il metodo che usa la Green Chemistry, al di là di tutti quelli che possono essere dei discorsi che si sentono dire oggi di natura un po’ politica. È il chimico che sceglie qual’è il miglior modo di fare la chimica, non è il politico.

UNO DEGLI ASPETTI DEL DODECALOGO DELLA GREEN CHEMISTRY È LA PREVENZIONE. PARLIAMONE UN PO’…

La Green Chemistry permette di utilizzare una serie di criteri per cui, prima di fare il danno, si deve pensare a evitarlo. E quindi la Green Chemistry segue una serie di punti che permetteranno al chimico industriale moderno di non andare incontro a quelli che sarebbero problemi che, a lungo andare, potrebbero essere prima imprevisti e subito dopo irrisolvibili. Uno tra gli esempi classici che vi sono stati è il buco dell’ozono. […] Il problema che nasce dal cercare di evitare il buco dell’ozono si fonda su di un buon proposito dell’industria: una volta avevamo i frigoriferi che funzionavano raffreddando l’ammoniaca. Tutti hanno però comprato i frigoriferi durante il boom economico degli anni sessanta, ce n’erano tantissimi. E quindi, a un certo punto, di ammoniaca che veniva buttata nell’atmosfera ce n’era tantissima perché i frigoriferi poi si buttavano quando non erano più funzionanti. […] Nessuno all’inizio aveva pensato che l’ammoniaca fosse un problema, ma l’ammoniaca è diventata un problema. Allora, è stata sostituita da delle molecole che aveva appunto questi legami carbonio-cloro. I poliflorocarburi si fecero per evitare l’inquinamento, non rendendosi conto che trenta-quarant’anni dopo i poliflorocarburi avrebbero fatto peggio. E tutti questi gas, che venivano introdotti all’interno sia delle bombolette che dei frigoriferi per esempio, producevano sostanze e aveva dentro di sé sostanze caratterizzate da un legame carbonio-cloro. Tutto sommato non faceva granché, questa cosa era roba inerte. Però, una volta nell’atmosfera, i raggi ultravioletti rompevano queste molecole e formavano dei radicali cloro. Il radicale cloro reagiva con l’ozono e lo distruggeva trasformandolo in ossigeno. Ne bastava pochissimo (di radicale cloro) per fare un macello. E, quindi, ci sono dei problemi sull’effetto serra che sono diventati giganteschi. Nessuno aveva previsto, all’inizio, questa cosa. Ecco: la Green Chemistry prevede (o cerca di prevedere) che, quando tu farai qualcosa di nuovo, questo qualcosa di nuovo ad anni di distanza non distrugga l’ambiente.

Intervista a cura di Joel Samuele Beaumont

Trascrizione a cura di Francesco Chini

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Corrado Malanga è chimico organico all’Università di Pisa. Laureatosi in Chimica nel 1977 presso la medesima università con una tesi sperimentale sul chimismo del nucleo indolico, si dedica inizialmente allo studio delle sintesi di polimeri otticamente attivi dell’ossido di propilene e all’approfondimento della chimica degli eterocicli, per poi interessarsi all’elaborazione di nuove sintesi di composti naturali. Docente dal 1983 nell’ateneo pisano, durante i suoi anni d’insegnamento è relatore e correlatore d’innumerevoli tesi di laurea in chimica e chimica industriale e pubblica più di cinquanta lavori su riviste scientifiche internazionali.