Зеленая химия

Портал по органической химии

темы

Традиционной концепцией химии процесса является оптимизация пространственно-временного выхода. Исходя из нашей нынешней ситуации, этот ограниченный подход должен быть расширен, поскольку, например, токсичные отходы уничтожают природные ресурсы и, следовательно, средства к существованию будущих поколений. Кроме того, необходимо учитывать, что некоторые виды сырья для химической промышленности основаны на сырой нефти, которая не является возобновляемым ресурсом. Это поднимает вопрос о том, какие альтернативы доступны или должны быть разработаны. И необходимо обеспечить, чтобы будущие поколения могли использовать эти альтернативы в одинаковой степени. Концепция «устойчивости» предполагает сохранение долгосрочной продуктивности окружающей среды, чтобы будущие поколения могли также жить на этой планете. Таким образом, устойчивость имеет экологические, экономические и социальные аспекты.

Пол Анастас из Агентства по охране окружающей среды США (EPA) составил 12 ориентиров о том, как можно добиться устойчивости при производстве химикатов и химических продуктов - «Зеленые принципы химии»:

1. Избегание отходов вместо утилизации
2. Атомная экономика и атомная эффективность
3. Использование менее вредных и менее токсичных химических веществ
4. Разработка безвредных продуктов
5. Использование неопасных растворителей и вспомогательных веществ.
6. Лучшая энергоэффективность
7. Предпочтительное использование возобновляемых ресурсов
8. Более короткие пути синтеза
9. Катализаторы вместо стехиометрических реагентов
10. Продукты должны быть разлагаемыми в окружающей среде
11. Аналитические методы мониторинга загрязнения окружающей среды
12. С нуля безопасные процессы

Реализация этих принципов зеленой химии, безусловно, требует определенных инвестиций, поскольку многие современные, часто очень рентабельные, химические процессы должны быть переработаны. Но во времена, когда сырья не хватает (например, некоторые переходные металлы доступны лишь в ограниченном количестве) и затраты на электроэнергию растут, финансовые затраты на новое развитие в конечном итоге репетируются. Это означает, что оптимизированные процессы в будущем будут дешевле, чем традиционные процессы. Таким образом, развитие зеленых методов может рассматриваться как инвестиция в будущее, что также помогает обеспечить соответствие производства будущим правовым нормам.

Типичный химический процесс производит продукты и отходы из сырья, такого как реагенты, растворители и реагенты. Когда реагенты и растворители используются повторно, массовые потоки значительно различаются:

Следовательно, количество отходов может быть уменьшено, если большинство реагентов и растворителей пригодны для повторного использования. Так, например, катализаторы и реагенты, такие как кислоты и основания, могут быть связаны с твердой фазой, регенерированы после простой фильтрации и затем использованы повторно. Гетерогенные катализаторы остаются постоянными в крупномасштабных продуктах, тогда как исходный материал добавляется непрерывно, а продукт непрерывно удаляется (например, дистилляцией).

Массовая эффективность химических процессов может быть оценена с помощью E-фактора (англ .: Environment factor):

Идеальный E-фактор 0 достигается почти при переработке нефти; Факторы от 1 до 50 являются нормальными для производства тонких химикатов. Типичные E-факторы для фармацевтических продуктов находятся в диапазоне от 25 до 100. Внимание: вода не учитывается при расчете, так как в противном случае E-факторы в экстракциях будут значительно увеличены. Однако неорганические и органические остатки в воде должны быть учтены. Иногда проще рассчитать е-факторы с другой точки зрения, потому что потери и точные потоки отходов зачастую трудно оценить.

Основная проблема, однако, заключается в том, что E-фактор не учитывает токсичность отходов. Поправочный коэффициент («фактор недружественности» Q) будет равен 1, если отходы не оказывают влияния на окружающую среду; менее 1, если отходы подлежат вторичной переработке или используются в другом продукте; или больше 1, если отходы опасны (токсичны). Пока что такие дискуссии находятся на ранней стадии, поэтому все еще полагаются на нескорректированные электронные факторы для количественного сравнения химических процессов.

Другим подходом для расчета эффективности химических реакций является так называемая атомная экономика или атомная эффективность:

Атомная эффективность - чисто теоретическая величина, которая не включает ни растворителя, ни фактического выхода. Однако экспериментальная атомная эффективность может быть рассчитана путем умножения химического выхода на теоретическую атомную эффективность. Тем не менее, эта дискуссия также остается в количественном отношении, поскольку она не учитывает, насколько токсичны продукты и реагенты. Но термин «атомная экономика», безусловно, можно использовать для описания реакций.

Конкретные реакции показывают две ключевые точки атаки, на которых фокусируется Зеленая химия: выбор растворителя и развитие катализируемых реакций. Например, реакция Вудворда в производстве стереоидов была заменена разработкой катализированных вариантов. В исходной реакции большое количество используемых солей серебра также является экономическим фактором:

реакция Woodward

Соли серебра могут быть заменены стехиометрическими количествами OsO4, но тетроксид осмия является и очень токсичным, и дорогостоящим. Только катализируемый вариант с N- метилморфолин- N- оксидом в качестве стехиометрического окислителя может рассматриваться как зеленая реакция:

Upjohn дигидроксилирования

В некоторых новых протоколах H2O2 используется для повторного окисления полученного N- метилморфолина, что также позволяет использовать этот реагент в каталитических количествах. С точки зрения атомной эффективности, заметно, что H2O как стехиометрический побочный продукт значительно лучше, чем N- метилморфолин. Также следует отметить, что были разработаны реакционные системы, в которых осмиевый катализатор связан с твердой матрицей, что облегчает отделение и повторное использование его от продуктов. Другим преимуществом такого связанного с полимером катализатора является предотвращение токсичных следов переходных металлов - например, в фармацевтических продуктах.

Однако важным моментом является выбор растворителя, поскольку он является основным компонентом (около 90%) химических реакционных систем. Следует избегать хлорированных растворителей, так как многие из этих растворителей являются токсичными и летучими и участвуют в разрушении озонового слоя. Альтернативные растворители будут, например, ионные жидкости , которые являются нелетучими и допускают неводные реакционные среды различной полярности. Ионные жидкости имеют большой потенциал, потому что могут быть разработаны системы, в которых продукты могут быть отделены от растворителя путем экстракции или дистилляции. Если катализатор остается в ионной жидкости, теоретически и растворитель, и катализатор могут быть переработаны. Но растворитель выбора для зеленой химии - вода - нетоксичная жидкость с ограниченной химической совместимостью. С одной стороны, определенные циклические условия Дильса-Альдера в воде даже ускоряются, с другой стороны, некоторые реагенты, такие как металлоорганические соединения, несовместимы с водой. Это открывает большую область деятельности для поиска реакций, которые приводят к желаемым продуктам в водных растворах. Краткий обзор можно найти здесь: S. Varma, Чистый химический синтез в воде , Org. Chem. Highlights 2007 , февраль 1. Химические реакции, которые происходят в сухом состоянии (без растворителей) или в сверхкритическом CO2, также могут рассматриваться как зеленые альтернативы. Дополнительные возможности для улучшения включают замену бензола на толуол (в качестве менее токсичной альтернативы) или использование растворителей, которые быстро разлагаются микроорганизмами.

Некоторые из достижений последних лет в разработке зеленых альтернатив классическим реакциям довольно удивительны. Примеры можно найти в разделе литературы на англоязычной странице ( Зеленая химия ) который постоянно обновляется. Хорошее введение в зеленую химию, на которой этот текст частично основан, с акцентом на катализ, предлагает книгу под редакцией Шелдона, Арендса и Ханефельда ( Зеленая химия и катализ , Wiley-VCH Weinheim, 2007 , 1-47.).

книги

Зеленая химия и катализ
Роджер А. Шелдон, Изабель Арендс, Ульф Ханефельд
Твердый переплет, 434 Страницы
Первое издание, 2007
ISBN-13: 978-3-527-30715-9
Wiley-VCH

Химия в альтернативных реакционных средах
DJ Adams, PJ Dyson, SJ Taverner
Мягкая обложка, 268 страниц
Первое издание, ноябрь 2003 г.
ISBN: 0-471-49849-1
Wiley

Пожалуйста, цитируйте страницу следующим образом:

Зеленая химия (URL: https://www.organic-chemie.ch/OC/themen/gruene-chemie.htm)

Похожие