Urgenza e prospettive di una chimica verde dei fosfonati: a che punto siamo con la sintesi, il recupero e il riciclo dei composti del fosforo

Il fosforo è un elemento fondamentale per il ciclo vitale di tutti gli organismi viventi sulla Terra e anche per innumerevoli processi di produzione industriale. Ma è anche un pericoloso inquinante, che rilasciato nell’ambiente può causare l’eutrofizzazione delle acque e la morte di piante e pesci.

Non è rinnovabile e non può essere sostituito con altre sostanze, come avviene per esempio con i composti di origine fossile, e proprio per questo motivo l’UE lo ha recentemente inserito nell’elenco delle materie prime critiche, incoraggiandone il recupero e il riciclo.

Perciò, anche alla luce delle importanti applicazioni dei suoi composti organici in ambito medico e industriale, è doveroso chiedersi: ha senso, oggi, parlare di una chimica verde del fosforo? È la domanda affrontata da uno studio appena pubblicato sulla rivista Green Chemistry, che offre uno sguardo esaustivo sulla chimica del fosforo concentrandosi su aspetti cruciali come i nuovi metodi di sintesi, il trattamento delle acque e la possibilità di riciclare i fosfonati.

Fosforo, una materia prima non rinnovabile né sostituibile

A causa della sua forte reattività, il fosforo si trova in natura non allo stato elementare ma sotto forma di fosfati – composti che sono presenti in abbondanza in diversi minerali che, ai ritmi di consumo attuali, si stima potrebbero esaurirsi nel giro di 300 anni.

Fondamentale per il metabolismo dei viventi (i composti del fosforo sono i costituenti fondamentali di DNA e RNA, ma anche delle ossa e delle membrane cellulari) negli anni il fosforo è diventato un elemento cruciale anche per l’industria. Il suo uso principale è nella produzione di fertilizzanti, ma è usato anche nella fabbricazione di esplosivi, farmaci, detersivi di ogni tipo, polimeri, ritardanti di fiamma e lampadine LED.

I composti organici del fosforo che conosciamo come fosfonati, in particolare, trovano applicazione nella produzione di diversi importanti farmaci, come quelli contro l’osteoporosi e gli antivirali capaci di combattere malattie come l’HIV e l’epatite B. Un altro utilizzo assai diffuso dei fosfonati riguarda la loro capacità di inibire la corrosione e le incrostazioni, cosa che li rende uno degli additivi più diffusi nei sistemi industriali e nei processi di trattamento delle acque.

Recentemente l’Unione Europea ha inserito il fosforo nell’elenco delle materie prime critiche: oltre a non essere rinnovabili, infatti, i giacimenti di minerali fonte di fosforo sembrano essere concentrati in Paesi extra-europei (principalmente Cina, Marocco e Stati Uniti), cosa che predispone a un elevato rischio di perturbazione dell’approvvigionamento da parte dei Paesi del Vecchio Continente. Quel che è peggio, è che attualmente non esistono sostituti validi dei composti del fosforo.

Green chemistry e chimica del fosforo: oltre l’inquinamento

Nonostante il fosforo sia una risorsa fondamentale per gli organismi acquatici, a partire dal fitoplancton, rilasciare grandi quantità di questo elemento nell’ambiente causa l’inquinamento del suolo e l’eutrofizzazione delle acque, un fenomeno tremendamente distruttivo provocato dall’eccesso di nutrienti che induce la proliferazione di alghe e la morte di piante e pesci.

Secondo uno studio di qualche anno fa, nel periodo 2002-2010 le attività umane su scala globale hanno provocato ogni anno la diffusione di 24 milioni di tonnellate di fosforo nei bacini d’acqua dolce, che in alcuni casi non riescono più ad assimilarlo.

Escogitare delle strategie per l’eliminazione del fosforo in eccesso può non essere sufficiente: la concentrazione delle risorse minerali contenenti fosforo, infatti, impone l’esplorazione di soluzioni per il recupero e il riciclo del fosforo – temi centrali soprattutto per i Paesi che non possono soddisfare il proprio fabbisogno di fosfati, come quelli europei.

Perciò un team di ricercatori della Scuola di Farmacia dell’Università della Finlandia orientale, in collaborazione con il Professor Konstantinos Demadis dell’Università di Creta, su invito della rivista internazionale Green Chemistry, ha deciso di fare chiarezza sulle reali possibilità di un approccio più sostenibile alla chimica del fosforo.

Lo studio, dall’eloquente titolo “Esiste una chimica verde dei fosfonati?”, fornisce una panoramica molto approfondita sullo stato dell’arte della chimica del fosforo, illustrando alcuni metodi di sintesi dei fosfonati più sostenibili ed esaminando nel dettaglio le tecniche di recupero e riciclo di questi composti.

I fosfonati e i 12 principi della chimica verde

“La chimica ha la sua parte di responsabilità in diversi problemi globali”, si legge nella ricerca appena pubblicata. La chimica dei fosfonati, per esempio, ha a che fare con dei composti organici che presentano un legame carbonio-fosforo estremamente forte, ed è proprio lì che iniziano i problemi.

Lo sviluppo di una chimica verde, però, può avere un impatto altrettanto significativo sui processi che rischiano di danneggiare l’ambiente o consumare una gran quantità di risorse non rinnovabili. È il principio che anima i vivaci sforzi degli scienziati impegnati nello sviluppo di una nuova chimica che sia capace di creare sostanze e nuovi processi meno pericolosi per l’uomo e l’ambiente.

Tra i 12 principi della green chemistry, illustrati per la prima volta nell’opera del 1998 “Green Chemistry: Theory and Practice“ di Paul Anastas e John Warner, vi sono analisi dell’impatto ambientale e pratiche di laboratorio più sicure, ma anche l’invito a evitare gli sprechi e le sintesi rischiose, a usare materie prime rinnovabili e a progettare composti chimici più sicuri.

I principi della green chemistry si applicano all’intero ciclo di vita dei composti chimici, inclusa la fase del loro smaltimento. Nel caso dei fosfonati, però, che come abbiamo visto oltre a essere non rinnovabili sono anche insostituibili, la questione del riciclo è particolarmente centrale:

“Ci si può chiedere se abbia qualche senso parlare di chimica verde per i composti contenenti fosforo non riciclato”,

osserva Petri Turhanen, tra gli autori dello studio.

Fosfonati, la green chemistry e la questione del riciclo

Esistono già diversi metodi per la sintesi di fosfonati che possono essere considerati “green”: tra questi, le sintesi prive di solventi, quelle elettrochimiche, quelle a ultrasuoni e a microonde. Esistono anche metodi di sintesi che utilizzano l’acqua come solvente. Inoltre, spiegano i ricercatori, non mancano gli esempi di catalizzatori sostenibili e sintesi prive di catalizzatori.

Gli sforzi della chimica verde in materia di fosfonati, secondo i ricercatori, si svilupperanno soprattutto su quattro fronti: la creazione di nuovi metodi di sintesi, la ricerca di una maggiore biodegradabilità, il recupero del fosforo e il suo riciclo. Ed è soprattutto su questi ultimi due punti che sarà necessario porre l’attenzione. L’interesse per lo sviluppo di strategie di recupero del fosforo, infatti, è emerso soltanto recentemente.

Negli ultimi anni sono stati testati diversi metodi per il recupero del fosforo dai fanghi di depurazione: tra questi la lisciviazione con l’acido solforico, l’uso di adsorbenti, la nanofiltrazione, la precipitazione, la filtrazione a membrana e lo scambio ionico. Il potenziale di riciclabilità dei fosfonati nei processi di trattamento delle acque, insomma, è già dimostrato da diversi studi.

Come spiega Turhanen,

“Sono già stati sviluppati metodi di chimica verde fattibili per la sintesi dei fosfonati; tuttavia, il recupero e il riciclo efficienti dei fosfonati o del fosforo richiedono ancora molte ricerche”.

La chimica del fosforo, in buona sostanza, non può essere ancora considerata “verde”. D’altro canto, la ricerca di soluzioni più sostenibili che coinvolgano tutti gli aspetti della chimica dei fosfonati, dalla sintesi al riciclo, è appena iniziata. E come sottolineano i ricercatori, nei prossimi anni la sfida per una chimica del fosforo più sostenibile può assumere i contorni di un’impresa globale e multidisciplinare.

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