Il Sacro Graal della chimica verde: fluorochimici privi di tossicità

Per la prima volta dei chimici sono riusciti a produrre composti fluorochimici senza l’uso del fluoruro di idrogeno (HF), un gas altamente tossico e molto inquinante, che fino ad oggi era assolutamente necessario per produrre farmaci, batterie per auto e componenti elettroniche.

La scoperta, un passo fondamentale in direzione di una chimica più verde, si deve a un team di scienziati provenienti dell’Università di Oxford e dallo spin-out FluoRok che, in collaborazione con l’University College di Londra e la Colorado State University, hanno messo a punto il primo metodo che permette di produrre fluorochimici senza passare per il fluoruro di idrogeno. Un’innovazione in grado di rivoluzionare interi settori industriali.

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Composti fluorochimici, un mercato in forte crescita nonostante i pericoli

I fluorochimici sono composti che trovano ampia diffusione in diversi settori industriali, dalla chimica agraria alla produzione di batterie a ioni di litio per auto elettriche, e saranno sempre più richiesti negli anni a venire.

Il mercato globale dei fluorochimici, che superava i 21 miliardi di dollari già nel 2018, è destinato a crescere ulteriormente. Le stime ufficiali sostengono che raggiungerà un valore di 50 miliardi di dollari entro il 2029, trainato dalle nuove esigenze di due settori in forte espansione nei Paesi in crescita, la refrigerazione industriale e la produzione di automobili.

Una tendenza che neanche le stringenti normative di sicurezza applicate ai processi di produzione negli ultimi anni possono mettere in discussione.

Tutti i composti fluorochimici in uso, infatti, sono prodotti a partire da un gas altamente tossico e corrosivo, il fluoruro di idrogeno (HF), che in forma acquosa prende il nome, forse più familiare, di acido fluoridrico.

In forma liquida, il fluoruro di idrogeno contribuisce alla formazione di piogge acide e può provocare effetti devastanti su flora, fauna e salute umana.

I composti aerodispersi del fluoro, invece, colpiscono soprattutto le specie vegetali che li assorbono, comportandosi come un veleno cumulativo. Un veleno che può essere fino a tre volte più tossico di inquinanti come il biossido di zolfo (SO2) e l’ozono (O3). Antibiotici e batterie dipendono ancora oggi da un processo pericoloso e distante anni luce dal concetto di chimica verde.

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La prima volta senza il fluoruro di idrogeno: lo studio pubblicato su “Science”

Fino a oggi tutti i composti fluorochimici, inclusi il fluoro elementare e il floruro di potassio, sono stati prodotti a partire dal fluoruro di idrogeno (HF). Come si legge nella ricerca pubblicata lo scorso luglio su “Science” dal team dell’Università di Oxford, “questo gas altamente tossico e corrosivo è il prodotto dalla reazione che che avviene, in condizioni estreme, tra fluoruro di calcio molto puro (almeno al 97 per cento) e acido solforico”.

Non si era ancora trovata una soluzione in grado di produrre composti fluorochimici saltando a piè pari il passaggio per l’acido fluoridrico, soprattutto “a causa dell’insolubilità proibitiva del fluoruro di calcio (CaF2)”, una sostanza presente in natura sotto forma di un minerale che si chiama fluorite.

Il fluoro viene lavorato essenzialmente a partire da blocchi di sale che commercialmente vengono chiamati fluorspar (in italiano spatofluore o spatofluoro), in cui il fluoro si trova legato al calcio. Una volta estratti, i cristalli di fluorite sono trattati con un forte acido, ad altissime temperature, per creare l’acido fluoridrico utilizzato per la produzione di fluorochimici.

Nel nuovo metodo, i fluorochimici possono essere prodotti direttamente dall’innocua fluorite, senza la necessità di quel pericoloso passaggio intermedio che i chimici cercano di evitare da decenni. Come spiega l’editor dello studio, Jake S. Yeston, “per oltre 200 anni il primo passo per l’accesso ai reagenti fluoruranti è stato la conversione della fluorite in un acido pericolosamente tossico e corrosivo”.

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Fluoromix: così la chimica verde che trae ispirazione dalla biologia dei denti

Gli scienziati di Oxford hanno aumentato la solubilità della fluorite frantumandone un certa quantità in un mulino a sfere insieme a del diidrogenofosfato di potassio (K2HPO4). Il solido risultante può essere utilizzato per formare i legami carbonio-fluoro e zolfo-fluro.

Il dottorando del Dipartimento di Chimica di Oxford Calum Patel e gli altri autori dello studio hanno trovato la loro ispirazione nella biomineralizzazione del fosfato di calcio, il naturale processo con cui si formano le ossa e i denti.

In questo nuovo metodo chimico, la fluorite allo stato solido si attiva grazie a un processo che simula la formazione biologica dei fosfati di calcio in denti e ossa. Dopo diverse ore di “pestello e mortaio”, la fluorite si trasforma in un composto in polvere che gli scienziati hanno chiamato Fluoromix, una sostanza che consente la sintesi di oltre 50 fluorochimici a partire dalla fluorite, con una resa del 98 per cento.

I ricercatori hanno dato prova delle qualità della nuova “polvere di fluoro” utilizzandola per la creazione di decine di composti, tra cui alcuni ingredienti fondamentali per farmaci, fertilizzanti e antibiotici.

Questo metodo, spiega l’Università di Oxford, ha il potenziale per ottimizzare l’attuale catena di approvvigionamento, e può “abbattere il consumo energetico, contribuendo a raggiungere gli obiettivi di sostenibilità dell’industria chimica”.

Il metodo dello sminuzzamento, spiega Calum Patel, è stato applicato per la prima volta alla chimica del fluoro, ma è stato già ampiamente utilizzato in altri processi industriali, come la creazione di componenti per le nuove batterie.

Si tratta inoltre di una scoperta che apre finalmente alla possibilità di un approccio più sostenibile alla fluorochimica, perché agisce a temperatura ambiente – rendendo l’intero meccanismo assai meno energivoro.

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Il Sacro Graal della chimica del fluoro apprezzata dalla comunità scientifica

L’entusiasmo della comunità scientifica per la nuova scoperta non ha mancato di farsi sentire: David O’Hagan, dell’Università di Saint Andrews, ha affermato che il nuovo metodo potrebbe essere la prima vera svolta per “un’industria che è rimasta ancorata a metodi del Seicento”.

“È assolutamente sorprendente che sia possibile evitare il fluoruro di idrogeno, che ha causato un’infinità di morti e incidenti nell’industria chimica”, ha spiegato il fondatore del Fluorine Group alla Royal Society of Chemistry, “sembra che questa scoperta possa essere l’inizio di qualcosa di nuovo per l’intero settore”.

E anche James Clark, luminare della chimica verde dell’Università di York, ne parla come di una scoperta sensazionale: “L’uso diretto della fluorite è una specie di Sacro Graal che fino ad ora non aveva avuto alcun successo”.

Ora, secondo lui, non resta che lavorare sulla sostenibilità economica e sulla scalabilità del nuovo procedimento, che potrebbe soppiantare il pericoloso e costoso processo tradizionale.

Si tratta di un cambio di paradigma epocale per la produzione di fluorochimici: la Professoressa Véronique Gouverneur, dell’Università di Oxford, sostiene che “l’uso diretto di CaF2 per la fluorinazione è il Sacro Graal del nostro settore, una soluzione che cercavamo da decenni”.

E ancora: “La transizione a metodi sostenibili per la produzione di composti chimici è un obiettivo che ha la priorità, che può essere accelerato da programmi ambiziosi e da un totale ripensamento degli attuali metodi di produzione”.

“Questo studio”, conclude Gouverneur, “è un importante passo in questa direzione: il metodo sviluppato a Oxford ha il potenziale per essere implementato ovunque, dalla ricerca all’industria, minimizzando le emissioni e accorciando la catena di approvvigionamento”.

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