Strategie sintetiche e metodologiche "GREEN" per lo sviluppo sostenibile

La chimica può e deve fornire conoscenze e tecnologie per una gestione sostenibile delle risorse e degli stili di vita. Essa contribuisce sia all’individuazione delle cause alla radice dei problemi ambientali, sia alla definizione delle loro possibili soluzioni, con una prospettiva di tipo globale. In questo quadro, la Chimica Verde si pone come obiettivo lo sviluppo di processi sintetici e tecnologie sostenibili, intrinsecamente sicuri e non tossici per gli esseri viventi e per l’ambiente.

Obiettivi formativi specifici del corso

Il corso intende fornire agli studenti gli strumenti culturali e metodologici necessari a:

• valutare l’impatto ambientale associato alla sintesi di prodotti chimici;

• individuare strategie alternative per lo sviluppo sostenibile dei processi;

• comprendere l’importanza della progettazione dei processi chimici nello sviluppo della chimica moderna.

Al termine del corso lo studente dovrà acquisire le seguenti conoscenze di base:

• importanza della minimizzazione dei rifiuti e del ruolo della progettazione di sintesi sostenibili;

• principali parametri per la valutazione dell’impatto ambientale di un processo chimico (fattore E, atom economy, efficienza di massa di una reazione, ecc.);

• capacità di analizzare l’impatto ambientale di una data sintesi, proponendo, ove possibile, reagenti, catalizzatori, solventi o metodologie alternative in grado di migliorarne le metriche ambientali;

• metodologie volte a ridurre la produzione di materiali di scarto e il consumo energetico, con attenzione al recupero di sottoprodotti utili all’industria chimica;

• definizione di biomassa e concetti fondamentali legati alla sicurezza dei processi chimici.

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Risultati di apprendimento attesi

Al termine del corso, lo studente sarà in grado di:

• applicare il Life Cycle Assessment (LCA) alla pianificazione di un processo chimico, individuando il valore e il possibile riutilizzo dei materiali di scarto;

• utilizzare le metriche della Green Chemistry per confrontare e valutare processi alternativi;

• progettare sintesi chimiche orientate alla sostenibilità, scegliendo metodologie che garantiscano la riduzione dell’impatto ambientale;

• comunicare in maniera chiara e rigorosa i risultati di analisi e valutazioni, anche a un pubblico non specialista.

Tali abilità verranno sviluppate anche attraverso esercitazioni ed esempi applicativi, nonché tramite la consultazione guidata di pubblicazioni scientifiche pertinenti al settore.

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Informazioni per studenti con disabilità e/o DSA

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto della normativa vigente, gli studenti interessati possono richiedere un colloquio personale con il docente per programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in funzione degli obiettivi didattici e delle specifiche esigenze.

Il corso prevede lezioni frontali supportate da presentazioni multimediali, integrate da discussione di casi studio ed esercitazioni pratiche mirate all’applicazione delle metriche della chimica verde.

Per potere seguire il corso in maniera efficace è necessario conoscere i principi di base di chimica generale e chimica organica.

La frequenza alle lezioni, pur non essendo obbligatoria, è fortemente raccomandata.

1. Introduzione alla Green Chemistry – 4 ore

• Problema ambientale e ruolo della chimica (2 h)

• Dodici principi e obiettivi della Green Chemistry (2 h)

2. Strategie di progettazione sostenibile – 6 ore

• Progettazione green di sintesi chimiche (2 h)

• Metriche (E-factor, atom economy, ecc.) ed esempi applicativi (2 h)

• Bilancio di massa e Life Cycle Assessment (LCA) (2 h)

3. Il ruolo del solvente – 4 ore

• Pianificazione del processo in base al solvente (1 h)

• Liquidi ionici: proprietà, tossicologia, biodegradazione (2 h)

• Utilizzo dell’acqua nelle reazioni organiche (1 h)

4. Il ruolo del catalizzatore – 6 ore

• Catalizzatori supportati, acidi e basi solidi (2 h)

• Nanocatalizzatori (2 h)

• Biocatalisi (2 h)

5. Materie prime rinnovabili per la chimica del futuro – 8 ore

• Biomassa: definizione, classificazione e applicazioni (2 h)

• Argille minerali: proprietà, modificazioni e applicazioni (3 h)

• Materie plastiche: riciclo e valorizzazione (3 h)

6. Aspetti specifici di sostenibilità – 4 ore

• Stereoisomeria ed ecosostenibilità (2 h)

• Processi di separazione e sostenibilità (2 h)

7. Tecnologie green in laboratorio – 4 ore

• Microonde, ultrasuoni, meccanochimica (4 h)

8. Produzione di biofuel – 2 ore

• Fonti rinnovabili e sostituzione dei carburanti fossili (2 h)

9. Casi studio ed esempi applicativi – 4 ore

• Processi di sintesi organica e alternative sostenibili in letteratura (4 h)

-P. T. Anastas, J. C. Warner Green Chemistry- Oxford University, ISBN 978-019-850698-0

-M Lancaster Green Chemistry an Introductio Text, RSC, ISBN 0-85404-620-8

-Il materiale didattico impiegato dal docente a lezione sarà messo a disposizione degli studenti  in formato elettronico-

L’esame consiste in una prova orale della durata non inferiore a 30 minuti, finalizzata ad accertare:

• il livello di conoscenza e comprensione dei contenuti teorici del corso;

• la capacità di applicazione delle conoscenze a casi concreti;

• l’uso appropriato del linguaggio scientifico.

La valutazione finale è espressa in trentesimi (30/30), con eventuale lode.

Criteri di valutazione

• Eccellente (30/30 e lode)
  Lo studente dimostra un’ottima conoscenza e comprensione degli argomenti trattati, una rigorosa capacità espositiva, un’eccellente abilità nel collegare i diversi temi della disciplina e nel comprenderne le applicazioni. Particolare attenzione sarà rivolta alla padronanza dei concetti di sostenibilità e dei parametri di valutazione dell’ecosostenibilità di un processo chimico, nonché alla capacità di proporre strategie di miglioramento, con consapevolezza nella scelta di reagenti, solventi e metodologie di processo.

• Molto buono (29–26/30)
  Lo studente dimostra una buona conoscenza degli argomenti, è in grado di individuare correttamente applicazioni pratiche dei concetti e sa risolvere in modo adeguato i problemi proposti.

• Buono (25–24/30)
  Lo studente mostra di conoscere i principali argomenti di base, possiede una discreta proprietà di linguaggio e una limitata capacità di applicare autonomamente le conoscenze alla soluzione di problemi.

• Soddisfacente (23–21/30)
  Lo studente, pur non avendo piena padronanza degli argomenti, dimostra una conoscenza complessiva sufficiente, una proprietà di linguaggio accettabile e una ridotta capacità di applicare in modo autonomo le conoscenze acquisite.

• Sufficiente (20–18/30)
  Lo studente dimostra una conoscenza minima degli argomenti fondamentali, un uso elementare del linguaggio scientifico e una scarsa capacità di applicazione autonoma delle conoscenze.

• Insufficiente (<18/30)
  Lo studente non raggiunge un livello accettabile di conoscenza e comprensione della disciplina.

1. Principi generali

   • Quali sono i dodici principi della Green Chemistry e come possono essere raggruppati in base agli obiettivi che perseguono?

2. Metrica

   • Spieghi cosa si intende per atom economy e E-factor, e fornisca un esempio di loro applicazione in una reazione organica.

3. Progettazione sostenibile

   • Supponiamo di dover progettare la sintesi di un composto organico. Quali criteri dovrebbe considerare per minimizzare la produzione di rifiuti e massimizzare l’efficienza del processo?

4. Life Cycle Assessment (LCA)

   • Cosa si intende per Life Cycle Assessment e come può essere applicato alla valutazione di un processo chimico?

5. Solventi

   • Quali caratteristiche rendono un solvente “green”? Faccia un confronto tra l’uso di liquidi ionici e l’acqua nelle reazioni organiche.

6. Catalisi

   • Perché i catalizzatori sono centrali nella Green Chemistry? Confronti i vantaggi e i limiti di catalizzatori eterogenei, nanocatalizzatori e biocatalisi.

7. Materie prime rinnovabili

   • Cos’è la biomassa e quali sono le sue principali applicazioni come risorsa per l’industria chimica?

8. Materiali e sostenibilità

   • Quali strategie possono essere applicate per il riciclo e la valorizzazione delle materie plastiche? Faccia un esempio pratico.

9. Tecniche di laboratorio green

   • Spieghi i principi dell’utilizzo delle microonde o degli ultrasuoni in laboratorio e indichi quali vantaggi comportano rispetto ai metodi tradizionali.

10. Casi studio e applicazioni

• Può descrivere un esempio di processo di sintesi organica presente in letteratura che sia stato reso più sostenibile grazie all’applicazione dei principi della Green Chemistry?