Rocznica: „Zielona chemia”
Zielona chemia: nowe podejście do opieki środowiskowej
Zielona chemia: nowe podejście do opieki środowiskowej
Ma. Del Carmen Doria Serrano1
1 Departament Inżynierii i Nauk chemicznych.Uniwersytet Ibeoamerican.Paseo de la Reforma 880. Lomas de Santa Fe, 01219 Meksyk, DF.E-mail:carmen.doria@uia.mx
Abstrakcyjny
Celem tego artykułu jest przegląd 12 zasad zielonej chemii zaproponowanej przez Anastasa i Warnera (1988).Chociaż podano każdą zasadę, opisano przykłady opracowane w laboratoriach badawczych oraz procesach przemysłowych i produktach, aby dać szeroką perspektywę nowych technik, metodologii i substancji organicznych, które opracowała zielona chemia.Somentuje się również znaczenie ekotoksykologii i biodegradowalności nowych produktów, aby mieć perspektywę wyzwań, przed którymi powinna stawić czoła dyscyplina.
Słowa kluczowe:Zielony, chemia, zasady, gospodarka atomowa, ekotoksykologia, układy dwufazowe, płyny jonowe.
Wstęp
Obecne globalne społeczeństwo jest ściśle związane z chemikaliami i ich procesami.Z powodu tych więzi i ponieważ niektóre z niekorzystnych interakcji, które wielu z nich miało w środowisku, są dobrze znane, chemia jest bezpośrednio związana z oświadczeniem Rio z 1992 r. O środowisku i rozwoju, które na początku 1 ogłasza toLudzie stanowią centrum obaw związanych ze zrównoważonym rozwojem.Ludzie mają prawo do zdrowego i produktywnego życia w harmonii z naturą.
Zrównoważony rozwój naszej cywilizacji zależy od tego, czy możemy dostarczyć źródła energii, produkty żywnościowe i chemiczne rosnącej populacji bez uszczerbku dla zdrowia naszej długoterminowej planety.Opracowanie narzędzi do osiągnięcia tych celów jest wielkim wyzwaniem naukowym, technologicznym i społecznym.
Przemysł chemiczny, rządy, środowisko akademickie i organizacje pozarządowe podjęły różne środki, aby stawić czoła wyzwaniu interfejsu między chemią a zrównoważonym rozwojem.Wśród nich są globalna inicjatywa odpowiedzialnej opieki Międzynarodowej Rady Stowarzyszeń Chemii, konferencje dotyczące zrównoważonej chemii Organizacji Współpracy Gospodarczej i Rozwoju (OECD) oraz różnych międzynarodowych przepisów i umów dotyczących regulacji produktów i procesów i procesów chemikalia
Jedną z najbardziej atrakcyjnych koncepcji chemii w celu osiągnięcia zrównoważonego rozwoju jest zielona chemia, której celem jestużycie grupy zasad, które zmniejszają lub eliminują stosowanie lub generowanie niebezpiecznych substancji w zastosowaniach projektowych, produkcyjnych i chemicznych, który w wielu przypadkach implikuje przeprojektowanie stosowanych produktów i procesów.
Zasady zielonej chemii
12 zasad zielonej chemii, pierwotnie zdefiniowanych przez Anastasa i Warnera (1988), zastosowano w opracowaniu szerokiej gamy produktów i procesów, których celem było zminimalizowanie ryzyka zdrowia i środowiska, zmniejszenie wytwarzania odpadów i zapobieganie zanieczyszczeniu.Przegląd tych zasad zostanie poddany przeglądowi, z niektórymi przykładami, postępami i wyzwaniami do rozwiązania.W niektórych przypadkach zastosowane zostanie synteza, produkty lub procesy, które były zwycięzcami programu Nagrody Prezydenckiej dla wyzwań zielonej chemii, przyznanej przez Agencję Ochrony Środowiska Stanów Zjednoczonych (US EPA).
1. Zapobieganie
Najlepiej jest unikać produkcji pozostałości do recyklingu, leczenia go lub pozbycia się po jego utworzeniu.
2. Gospodarka atomowa
Metody syntezy powinny być zaprojektowane w sposób, w jaki odczynniki są włączone do produktu końcowego, minimalizując tworzenie się przez -produkty, które również sprzyjają na początku 1.
Gospodarka atomowa odnosi się do związku masy cząsteczkowej produktu reakcji lub procesu w odniesieniu do sumy masy cząsteczkowej wszystkich zastosowanych odczynników.
Gospodarka atomowa zależy od wewnętrznego charakteru każdej reakcji.Na przykład reakcja typu Diels-Alder ma 100% gospodarki atomowej:
Zamiast tego reakcja Wittig ma niższą gospodarkę:
Głównym zastosowaniem tego parametru jest dostosowanie sekwencji reakcji syntezy, aby transformacje o niskiej gospodarce atomowej były ograniczone do minimum, aby uniknąć wytwarzania produktów, które muszą być oddzielone, a ostatecznie leczyć lub usuwać (rozebrane (( zasada 1).
Na przykład poli (metakrylan metylu) jest stosowany w produkcji żywic i tworzyw sztucznych.Tradycyjna synteza monomeru metakrylanu metylowego stosuje się jako odczynniki acetonowe i cyjanek wodoru, a następnie hydrolizę kwasu i estryfikację, jak wskazano poniżej:
Gospodarka atomowa wynosi 75%.
Zielona synteza wskazana poniżej ma gospodarkę atomową 97,7%:
Dopuszczalne przygotowanie związku organicznego implikuje nie tylko stosunkowo wydajną reakcję, ale także łatwość jego izolacji i oczyszczania z mieszaniny reakcyjnej.Dlatego zdefiniowano inne parametry, takie jak następujące (curzony,i in., 2001):
• •Masowa wydajność, który uwzględnia wydajność reakcji:
• •Intensywność więcejA, który uwzględnia również masę używanego rozpuszczalnika:
• •Czynnik środowiskowy (czynnik i), Gdzie ważny parametr jest powiązany z wytwarzanymi odpadami (Sheldon, 2007):
Ogólnie rzecz biorąc, czynnik E jest związany z rodzajem przemysłu, jak wskazano w poniższej tabeli (Tabla 1):
• Iloraz środowiskowy,Uzyskuje się go przez pomnożenie czynnika E przez czynnik odzwierciedlający charakter odpadów i ich wpływ na środowisko.Na przykład NaCl ma wartość Q = 1, podczas gdy metale ciężkie mogą mieć wartość Q = 100-1000.Aby przydzielić współczynnik Q: ekotoksyczność, zdolność do wpływania na warstwę ozonową lub powodowania efektu cieplarnianego, zdolność do powodowania zakwaszenia gleby lub wody, potencjału eutrofizacji, degradowalności itp.
• Ecoescala,który ocenia reakcje w skali laboratoryjnej i obejmuje szeroki zakres warunków i technik stosowanych w chemii organicznej, takie jak cena odczynników, ich niebezpieczeństwo, niezbędny sprzęt, temperatura i czas reakcji, warunki izolacji i oczyszczanie produktu (( Van Aken, 2006).
• Analiza cyklu życia (od łóżeczka do grobu),Metodologia, która uwzględnia wszystkie etapy cyklu życia chemikalia, a także wpływ na środowisko produktów wtórnych, rozpuszczalników, usług pomocniczych itp.używane w ciągu twojego życia.
Jego elementy to:
• Surowy materiał.
• Formułowanie, produkcja i przetwarzanie.
• Opakowanie i dystrybucja.
• Zastosowanie produktu.
• Recykling, usposobienie.
Na przykład, aby przeanalizować cykl życia określonego rozpuszczalnika, zastosowanie zasobów niezrównanych do jego produkcji, toksyczności, biotycznej lub abiotycznej zdolności degradacji i innych skutków środowiska ze względu na jego wykorzystanie, wydanie gazów zanieczyszczających z powodu jego spalania lub spalania lub spalania lub Intensywne wykorzystanie energii, jeśli są destylowane do ich odzyskania (Anastas i Lankey, 2000; Clark, 2006a; Kümmer, 2007).
Nowszą interesującą propozycję (Augé, 2008) można zastosować do prostych sekwencji reakcji i reakcji oraz integruje niektóre poprzednie parametry.
3. Zastosowanie metodologii, które generują produkty o zmniejszonej toksyczności
W miarę możliwości należy zaprojektować metody syntezy do używania i generowania substancji, które mają niewielką toksyczność lub nie, zarówno dla człowieka, jak i dla środowiska.
Dwa przykłady tej zasady obejmują reakcje wykorzystujące Phosgen i które zostały zmodyfikowane do używania odczynników przy niewielkiej toksyczności.
• Synteza poliwęglanu, która jest tradycyjnie przeprowadzana z bisfanolu do Phosgen;Opcja zielona obejmuje DiPenilcarbonate (Rysunek 1):
• Tradycyjna synteza dimetylokarowęglanu, która jest stosowana jako środek alkilujący, wykorzystuje również Phosgen:
Zaproponowano następującą zieloną syntezę:
4. Generuj skuteczne, ale nietoksyczne produkty
Chemikalia muszą być zaprojektowane w sposób, który utrzymuje wydajność, jednocześnie zmniejszając ich toksyczność.
Projekt chemikaliów implikuje cel zastosowania, z którym należy ocenić jego wydajność.Jednak tak ważne jak ten aspekt jest jego potencjalny wpływ na zdrowie ludzkie i środowisko.Trzy aspekty muszą mieć takie samo znaczenie w ocenie, co musi prowadzić do wyboru produktu, w którym aspekty ekonomiczne, społeczne i ekologiczne pozwalają na zrównoważoną decyzję.
Przykładem jest tlenek w cynach, produkt niezostały stosowany w obrazach w celu uniknięcia osadzania organizmów na metalu, na przykład na statkach.Jest to związek z półfinansą w wodzie morskiej większym niż sześć miesięcy, jego zdolność biokoncentracyjna (to znaczy zdolność do stopniowego zwiększania ilości, która gromadzi się w tkankach żywego organizmu bez powodowania uszkodzenia) jest wysoka (104) i powoduje przewlekły Toksyczność, więc wpływa na faunę morską.
Związkiem, który go zastąpił, jest Sea-Nine ™ (4.5-Decloro-2-N-Electhyle-4-Echotiazolin-3-3-Iona), który nie powoduje przewlekłej toksyczności i cierpi szybka biodegradacja w celu generowania produktów nietoksycznych (połowa produktów (połowa Życie <1 h), a jego zdolność biokoncentracyjna jest niska (13).Substancja ta została opracowana przez Rohm i Haas i była zwycięzcą programu Nagrody Prezydenckiej na wyzwania zielonej chemii w 1996 roku.
Ogólnie rzecz biorąc, bezpieczniejszy produkt oznacza, że jest mniej toksyczny.Jednak przy projektowaniu funkcjonalności produktu jego łatwość i szybkość degradacji należy uwzględnić, ponieważ chemikalia nie zawsze degradują się do CO2, wody i soli nieorganicznych.Jeśli wejście do środowiska jest większe niż jego degradacja, będzie obecna pewna ilość, a związek będzie pseudo-osobisty.Produkty, które opierają się biodegradacji, pozostają dostępne dla bioty do wykonywania ich toksycznego działania, nie zawsze w znany lub przewidywalny sposób.Trwałe związki chemiczne, które są bioakumulatem, są bardziej niepokojące, ponieważ poziomy stężenia, które uważa się za nie ryzykowne w stosunku do kryteriów ostrej toksyczności, mogą powodować przewlekłą toksyczność.Dlatego leczenie ścieków zawierających produkty i które można dotrzeć do środowiska, można ulepszyć przy odpowiedzialnym projektowaniu molekularnym.
Biodegradowalność związku opiera się nie tylko na jego strukturze, ale także warunkach narażenia, to znaczy rodzaju warunków obecnych w środowisku, rodzaju leczenia, testów laboratoryjnych, które go określają itp.
Następujące cechy molekularne zwiększają odporność na biodegradację: obecność halogenów, zwłaszcza fluoru i chloru, jeśli w małej cząsteczce znajdują się trzy lub więcej;gałąź łańcuchów alifatycznych;czwartorzędowe węgle;Aminy trzeciorzędowe;grupy nitro, azot, azo i arilamino;Policykliczne odpady, zwłaszcza jeśli mają więcej niż trzy stopione pierścienie;Odpady heterocykliczne na przykład pierścień imidazol;Grupy eterowe z wyjątkiem etokilatów.
Z drugiej strony cechy strukturalne, które zwiększają biodegradowalność, są nietrwałymi grupami do hydrolizy enzymatycznej, zwłaszcza estra i obszy, atomów tlenu występujących w alkohole, aldehydach, kwasach karboksylowych i niektórych ketonach, ale nie etyce, liniowe łańcuchy alkilowe i grupy fenylowe.
W dziedzinie ekotoksykologii uogólnienia zostały uogólnienia w celu zmniejszenia toksyczności wodnej.W wielu przypadkach zmiany struktury chemicznej lub właściwości, które zmniejszają toksyczność, również zmniejszają biodegradowalność: wzrost masy cząsteczkowej, zwiększenie przeszkód sterycznych w miejscu aktywnym, obejmują grupy nieporęczne lub grupy hydrofilowe, takie jak grupy kwasu sulfonianowego lub karboksylowego.Zatem pierwotne aminy są ekotoksyczne, ale łatwo się rozkładają w glebie lub wodzie.Możliwe jest zmniejszenie toksyczności poprzez modyfikację struktury bez zwiększania trwałości w środowisku.Wtedy zielony produkt jest nie tylko mniej toksyczny, ale także bardziej biodegradowalny (boethlingi in., 2007).
Z punktu widzenia analizy cyklu życia produktów, następujący przypadek odnoszący się do pestycydów, który jest przykładem złożoności, jaką może mieć projektowanie łagodnych związków.
Wśród pierwszych udanych środków owadobójczych są martwe DecloRo Tricloroetano (DDT) i inne huknogenowane związki organiczne, takie jak Chinańczycy (aldrin i dieldryna), które były bardzo trwałe.Dlatego opracowano fosfoe organiczne, takie jak paracja.Następną generacją pestycydów były piretroidami, a tym bardziej toksyczne, a także światłoczuły, co faworyzuje ich abiotyczną degradację.Najnowsze przykłady to spinosoid (spinosadTm) i acylourea (heksoflumuronTm), które mają bardziej odpowiedni profil z środowiska i toksykologicznego punktu widzenia.
HexaflumuronTmOpracowany przez Dow i zdobywcę nagrody EPA w 2000 roku, jest to czynnik kontrolny termitów, zaprojektowany w celu zastąpienia chlorpirifos, ponieważ jest mniej toksyczny i powinien być stosowany tylko po wykryciu aktywności tych organizmów.Jednak jak pokazano wRysunek 3, Jeden z jego metabolitów jest trwały: atomy chloru w pierścieniu aromatycznym, fluor w łańcuchu alifatycznym i aromatyczne aminę metabolitu (B), dają nam większą przewlekłą toksyczność u ryb (wartość przewlekła lub CV) w pożywce wodnej, która główna jest główną Metabolit niezmiennego związku, który zastępujei in., 2007).
5. Zmniejsz stosowanie substancji pomocniczych
Jeśli to możliwe, stosowanie substancji, które nie są niezbędne (rozpuszczalniki, odczynniki do przeprowadzania separacji itp.) I w przypadku użycia, które są tak nieszkodliwe, jak to możliwe.
Rozpuszczalniki są ważne jako sposób reakcji i w procesach oczyszczania.Wiele z nich ma ryzyko dla zdrowia ludzkiego i środowiska, szczególnie ze względu na ich zmienność.Dlatego jednym z najważniejszych obszarów zielonej chemii jest eliminacja lub zastąpienie niebasłych rozpuszczalników, które mają ograniczony wpływ na środowisko.Wśród tradycyjnych rozpuszczalników, które spełniają te cechy: aceton, etanol, metanol, izopropanol, heksan, kwas octowy i octan etylu (Doxsee i Hutchison, 2005).Opracowano jednak reakcje przeprowadzane bez rozpuszczalników, a także alternatywne rozpuszczalniki, takie jak następujące:
• Agua
• płyny jonowe
• Układy dwufazowe oparte na związkach flukowanych
• Płyny nadkrytyczne, takie jak CO2
• Rozpuszczalniki biodegradowalne
• Bio-sortowniki
Reakcje w roztworze wodnym
Pomimo oczywistego wpływu na środowisko woda nie była często stosowana w syntezie organicznej, ponieważ wiele odczynników nie jest w nim rozpuszczalnych.Istnieje jednak wiele propozycji użytkowania, takich jak następujące
Płyny jonowe
Ciecze jonowe (IL) to sole, których temperatura topnienia jest niska, więc są płynne w temperaturze pokojowej.Zostają one zaprojektowane z dużymi kationami organicznymi, takimi jak pierścienie imidazolio i pirydyniowe, z łańcuchami N'alquilo, które modyfikują hydrofobowość cząsteczki.Typowe aniony to heksaklorofosforan (PF6), tetrafluoroborato (BF4), Chlorek (CL), Azotan (typ) i bromek (BR), pośród innych.Niektóre przykłady są następujące (Rysunek 4):
Jego właściwości, takie jak dobra rozpuszczalność (dla szerokiej gamy związków organicznych, nieorganicznych i organetalicznych, a także gazów), stabilność termiczna, a nie zmienność i brak przepływu w różnych warunkach działania, czynią je wszechstronne i są odpowiednimi podmiotami organicznej organicznej rozpuszczalniki powszechne.Płyny jonowe stosowane jako sposób reakcji są bardziej selektywne, pozwalają na wyższe plony reakcji i mogą być ponownie wykorzystywane, umożliwiając im klasyfikowanie ich jako zielonych rozpuszczalników.Zmieniając kationy i aniony jego struktury, ILS można zaprojektować z odpowiednimi charakterystykami solowania dla określonych procesów, w tym akumulatorów, katalizy przez metale przejściowe, rozpuszczalniki w ekstrakcjach ciekłokwiowych oraz wielu rodzajach reakcji organicznych i inorganicznych, z katalitycznych wodoraterów i wodoraków i wodorostów. , nawet reakcje Friedel-Crafts i Dils-Alder.
W miarę wykonywania przejścia akademickich ciekawostek na produkty komercyjne, jego wpływ na środowisko jest problemem badanym, ponieważ stwierdzenie, że ILS są zielone, było kontrowersyjne.Chociaż nie stanowią ryzyka dla jakości powietrza, jego wpływ na wodę i glebę jest problemem, o ile nie mają danych na temat ich ekotoksyczności i zdolności biodegradacji (Rankei in., 2007).
Najczęstsze IL, takie jak [BMIM] [BF4] i [BMIM] [PF6], wykazują minimalną biodegradowalność.Potwierdzono jednak, że obecność ogniwa estrowego w łańcuchu alkilowym zwiększa biodegradowalność, a także wynajęty siarczan anionowy, zwłaszcza Octilo.Zaobserwowana degradacja jest zgodna z atakiem cząsteczki pochodzącej z alkoholu, oprócz jonu oktylsulfate jest bardzo biodegradowalna.Pierścień imidazolu jest odporny na atak biologiczny z powodu zastąpienia obu atomów azotu pierścienia (Morrisseyi in, 2009; 2009;ARDSi in., 2009).
Docherty i Kulpa (2005) i rankei in.(2007) uzyskali dane dotyczące degradacji biotycznej i abiotycznej, bioakumulacji i aktywności biologicznej oraz stwierdzili, że zmienność struktur nie pozwala jeszcze na wniosek dotyczący ich toksyczności i ekotoksyczności.Wiadomo jednak, że toksyczność wzrasta wraz z długością łańcucha alkilowego przymocowanego do IL na podstawie pierścieni imidazolio i pirydyny, co można wytłumaczyć rosnącym charakterem lipofilowym i możliwością powodowania zakłócenia błony komórkowej (martwica polarna) .
Układy dwufazowe oparte na związkach flukowanych skoczek
Fluorowaty termin rozpuszczalnikowy jest analogiczny do wodnego terminu i podkreśla fakt, że jedna z faz układu dwufazowego jest bardziej obfita w fluorokarbonach niż drugi.System fluorawy składa się z fluorystycznej fazy zawierającej odczynnik lub katalizator fluoro i drugą fazę, w której znajduje się produkt, który może być dowolnym rozpuszczalnikiem organicznym lub nieorganicznym o ograniczonej rozpuszczalności w fazie (Hobbs i Thomas, 2007).
Odczynniki i katalizatory mogą być rozpuszczalne w fazie fluorystycznej poprzez dodanie liniowych lub rozgałęzionych łańcuchów alkilowych perfuzowanych o wysokiej liczbie węgla.Fluorowa reakcja dwufazowa może przebiegać w fazie fluorowej lub w interfejsie, w zależności od rozpuszczalności substancji w fazie fluorystycznej.Jedną z interesujących cech tych systemów jest to, że ich mieszalność rozpuszczalników organicznych zależy od temperatury.Zatem w mieszaninie zawierającej fazę organiczną i fluorystyczną, jednorodną reakcję katalityczną przeprowadza się w wysokiej temperaturze, a dwufazowe oddzielenie katalizatora i produkt jest przeprowadzany w niskiej temperaturze.Ta metodologia wykazała, że ma duży potencjał, aby stać się platformą technologiczną dla zastosowań zielonej chemii.Zostały one zastosowane do syntezy małych cząsteczek na dużą skalę, oddzielenia biomolekuł, przygotowanie nanomateriałów, kataliza enzymatyczna itp.
Poniżej znajdują się reakcje hydroformlacja (11) (Curran, 2000) i transterifikacja (12) przy użyciu tej metodologii:
Fluorowe rozpuszczalniki mają dyskusyjne właściwości toksykologiczne, nawet gdy rozwinęły się cykliczne perfluorokarbony, takie jak substytuty krwi, ponieważ nie są toksyczne, mają wysoką stabilność i zdolność do rozpuszczania tlenu i dwutlenku węgla.Jednak wiele jest trwałych, a osoby o niskiej temperaturze wrzenia były odpowiedzialne za zniszczenie warstwy ozonowej i globalne ocieplenie.
Aby zmierzyć się z tymi krytyką, ilość fluoru została znacznie zmniejszona w cząsteczkach z rozwojem znanym jako „lekka fluorowa chemia”, w której łańcuchy dodawane jako markery to C8F17 lub C6F13.Ekstrakcja fluorska w fazie stałej przy użyciu zmodyfikowanej syltu żelowego z łańcuchami C8F17 jest sposobem oddzielenia światła fluorowych związków.Dostosowania te eliminują stosowanie rozpuszczalników fluorskich w pożywce reakcyjnej i etapach separacji i są przeprowadzane w wspólnych rozpuszczalnikach (Zhang, 2009).
6. Zmniejsz zużycie energii
Wymagania energetyczne zostaną sklasyfikowane przez ich wpływ na środowisko i ekonomiczny, zmniejszając wszystko, co możliwe.
Opracowanie metod spełniających tę zasadę doprowadziło do opracowania metodologii, które umożliwiają ogrzewanie pożywki reakcyjnej w bardzo krótkim czasie poprzez zastosowanie mikrofalów, podczerwieni i ultradźwięków.Na przykład reakcja Suzuki (13) (Kabalkai in., 2000) wymaga tylko dwóch minut z promieniowaniem mikrofalowym i jest również reakcją rozpuszczalnika:
La Reacción de Many (14) (Bruckmanni in., 2008) odbywa się z napromieniowaniem ultradźwiękowym w ciągu 1 godziny.Jeśli stosowane są wspólne warunki, reakcja wymaga 24 godzin.
7. Wykorzystanie surowców odnawialnych
Surowce muszą być najlepiej odnawialne, a nie wyczerpalne, pod warunkiem, że są opłacalne technicznie i ekonomicznie.
Konwersja biomasy
Zastosowanie biomasy jako źródła energii jest obecnie obszarem wielkiego rozwoju, szczególnie do uzyskania paliw do transportu.Etanol był używany od pewnego czasu zmieszany z paliwami konwencjonalnymi (Petrus i Noordermeer, 2006).Jednak biorąc pod uwagę zawartość energii różnych produktów obecnych w biomasie, terpeny prowadzą listę, a następnie oleje roślinne, ligninę i cukry.Ponieważ produkcja terpenów jest bardzo niska, aby osiągnąć wymagania biopaliw, nic dziwnego, że największa uwaga koncentrowała się na olejkach roślinnych, z których opracowano syntezę i stosowanie biodiesla.Ten surowiec ma również swoje ograniczenia, więc rozwój produkcji o dużej skali występuje w lignocelulozie.Jeśli lignoceluloza jest używana jako surowiec do wytwarzania biopaliw, cukrów, olejków roślinnych, bardziej cenne można zastosować do syntezy o większej wartości dodanej.
Transformacja obecnej platformy petrochemicznej za pomocą platformy biotechnologicznej opartej na użyciu biomasy może skupić się na wymianie produktów bezpośrednio pochodzących z oleju lub korzystania z grup funkcjonalnych komponentów biomasy do opracowywania nowych produktów o lepszych właściwościach i nowych zastosowaniach.
Natura wytwarza większość z 170 × 109Mnóstwo biomasy każdego roku z powodu procesu fotosyntezy, z których 75% można przypisać do węglowodanów.Ludzie wykorzystują tylko 3-4% jako żywność lub do procesów nieżywnościowych.W biomasie występują dwa rodzaje cukrów: heksozy, wśród których glukoza jest najliczniejsza, a pentoza, zwłaszcza ksyloza.Istnieją dwa sposoby przekształcania cukrów w bioprodukty: proces chemiczny i fermentacyjny (Clarki in., 2006b;Cormi in., 2007;Gallezot, 2007).
Fermentacja glukozy wytwarza kilka związków, które mogą być stosowane jako surowiec z przydatnych chemikaliów w branży, takich jak kwas mlekowy, bursztynowy, iTaconic, glutamiczny i 3-hydroksypropionowy.Tylko jako przykład, niektóre przydatne pochodne kwasu mlekowego (Rysunek 5):
Jeśli chodzi o transformacje chemiczne, monosacharydy mogą odwodnić, zmniejszać lub utleniać w celu wytworzenia przydatnych produktów, na przykład:
Jeśli chodzi o trójglicerydy, możliwe transformacje są bardzo zróżnicowane.Hydroliza wytwarza kwasy tłuszczowe, z których biodiesel jest wytwarzany przez transesteifikację, ale także dioli i kwasów dikarboksylowych stosowanych między innymi jako stabilizatory i plastyfikatory.Z drugiej strony glicerol jest między innymi podstawowym związkiem dużej liczby produktów (Behri in., 2008):
Z tych produktów można uzyskać rozpuszczalniki, polimery, żywice, dodatki itp.
8. Unikaj niepotrzebnego wyprowadzenia
Powstawanie grup pochodnych (grupy blokowania, ochrony/nieobchędności, tymczasowej modyfikacji procesów fizycznych/chemicznych) będzie unikać jak najwięcej.
Przykładem jest następująca reakcja, która zapobiega tworzeniu się chlorku kwasowego jako pośrednika do syntezy Amida:
Następna reakcja to modyfikacja reakcji Grignarda, która nie wymaga ochrony alkoholu:
9. Potęgę katalizy
Katalizatory (najbardziej selektywne), w miarę możliwości zostaną użyte wielokrotnego użytku, zamiast stechiometrycznych odczynników.
Do najbardziej przydatnych katalizatorów stosowanych przez zieloną chemię są enzymy, które: a) mają bardzo wysoką selektywność, która zmniejsza wytwarzane odpady;b) Mogą działać w określonych związkach, nawet jeśli znajdują się w mieszaninie, która zmniejsza wymagania separacji chromatograficznych lub innych, a C) wymagają miękkich warunków reakcji w porównaniu z tradycyjnymi metodami syntetycznymi, co również zmniejsza wymagania energetyczne.Obszar biokatalizy w pożywce niekierowanej rozprzestrzenił się, na przykład, stosując płyny jonowe, nadkrytyczne CO2 i rozpuszczalniki fluorystyczne.Wśród najbardziej wszechstronnych enzymów stosowanych do syntezy organicznej są α-quimotrypsyna i lipazy do reakcji transcensilacji (20) (NARAi in., 2002) oraz rozdzielczość modyfikacji rankingu i lacaz dla reakcji redoks (19) (Riva, 2006).
Jako przykład innego rodzaju katalizatorów jest aktywator H2O2, FE-TAML, który umożliwia utlenianie opornych zanieczyszczeń w środowisku wodnym w celu uzyskania różnych akceptowalnych substratów z punktu widzenia środowiskowego.Wykazano jego przydatność w trwałych związkach, takich jak pestycydy i związki farmaceutyczne, które mają charakterystyczne bioaktywne, a zatem toksyczne dla mikroorganizmów i potencjalnych zaburzeń hormonalnych u ludzi, innych ssaków, ryb i płazów (Khetan i Collins, 2007; Shappell; Shappell;i in., 2008).
Fe-TAML ma następującą strukturę, która wynikała z projektu opracowanego z hemu oksydoreduktazy (Collins i Walter, 2006) (2006) (2006) (Rysunek 7):
10. Generuj produkty biodegradowalne
Chemikalia zostaną zaprojektowane w taki sposób, że pod koniec ich funkcji nie utrzymują się w środowisku, ale stają się nieszkodliwymi produktami degradacji.
Zastosowaniem tej zasady jest opracowanie biodegradowalnych polimerów, które zostały zaprojektowane w celu zastąpienia tradycyjnych tworzyw sztucznych, które są trwałe w środowisku.Są one zsyntetyzowane z obfitych biomolekuł w naturze, połączone przez powiązania, które mogą być hydrolizowane przez układy enzymatyczne mikroorganizmów obecnych w glebie.
Kwas polilaktyczny i poliaparyczne są przykładami tego rodzaju tworzyw sztucznych i pokazano poniżej:
Synteza kwasu polilemakcyjnego z kwasu mlekowego bezpośrednio i katalizatora cyny pozwala na lepszą kontrolę masy cząsteczkowej i zasługuje na nagrodę EPA dla firmy Cargill Dow LLC (obecnie NatureWorks LLC) w 2002 r. Służy do włókien i materiałów pakowania.
Jeśli chodzi o kwas poliasparaginowy, może on zastąpić poliakrylan i użyć jako dyspergatora, anty -snownowania lub superabsorbentu.Został opracowany przez firmę Donlar Corporation, za którą otrzymał nagrodę EPA w 1996 roku.
11. Opracuj metodologie analityczne monitorowania czasu rzeczywistego
Metodologie analityczne zostaną opracowane, aby umożliwić monitorowanie i kontrolę procesów w czasie rzeczywistym przed utworzeniem produktów wtórnych.
Celem chemii analitycznej dla zielonej chemii jest zastosowanie procedur analitycznych, które generują mniej odpadów niebezpiecznych i które są łagodne dla środowiska bez szybkiego generowania wyników, wydajności i wydajności.Można to osiągnąć poprzez opracowanie nowych metod analitycznych lub modyfikując stare w celu uwzględnienia procedur, które umożliwiają cele.
Przykładem są detektory jonów „odcisków palców” (Detektor śladu jonów), który nie musi wyodrębnić substancji z mieszaniny z powodu jej analizy;Oznacza to, że nie jest konieczne unikanie zakłóceń, co zmniejsza rozpuszczalnik dla GC/MS i 50% chromatografii o 90% dla analizy LC/MS.
12. Minimalizuj potencjał wypadku chemicznego
Substancje stosowane w procesach chemicznych zostaną wybrane, aby zminimalizować ryzyko wypadków chemicznych, w tym emanacji, eksplozji i pożarów.
Aby zająć się tą zasadą, zamiast cieczy lub substancji niskiego ciśnienia pary można stosować ciałę stałe zamiast lotnych cieczy lub gazów związanych z większością wypadków chemicznych.
Wniosek
Zielona chemia przedstawia nową filozofię i ustanawia wysokie standardy w celu przeprowadzenia badań i produkcji substancji i procesów chemicznych, maksymalizując jej korzyści i minimalizując skutki uboczne, które mogą być szkodliwe dla ludzi i środowiska.Pomimo sukcesów osiągniętych w ciągu ostatnich 15 lat dyscyplina jest na początek i istnieje wiele wyzwań, które muszą się stawić czoła w laboratoriach badań i rozwoju instytutów, uniwersytetów i branż, więc chemikalia muszą wprowadzić swoją wiedzę w grę i kreatywność.
Jeśli chodzi o aspekt nauczania, dr Cann (1999) jest interesujący, aby podjąć zwycięskie propozycje nagrody dotyczące wyzwań zielonej chemii poprzez seminaria lub projekty, wyzwania seminarii lub projektów, na wyzwania związane z seminariami lub projektami, ponieważ one są one stanowią przykłady syntezy chemicznej i procesów przemysłowych na granicy obecnej wiedzy (http://www.epa.gov/greenchemistry/pubs/pgcc/past.html).
Bibliografia
Anastas, P.T., Warner J.C,Zielona chem., Teoria i praktyka.Oxford University Press, 1998, s. 130. [Linki]
Anastas, P.T.i Lankey, R.L. Ocena cyklu życia i zielona chemia: Yin i Yang of Industrial Ecology,Zielony chem., 2, 289-295, 2000. [Linki]
Augé, J., Nowe uzasadnienie wskaźników reakcji dla zielonej chemii.Matematyczna ekspresja czynnika wpływu na środowisko procesów chemicznych,Zielony chem., 10, 225-231, 2008. [Linki]
Behr, A., Eiling, J., Irawadi, K., Leschinski, J., Lindner, F.,Zielony chem., 10, 13-30, 2008. [Linki]
Boethling, R.S, Sommer, E., Difiore, D., Projektowanie małych cząsteczek dla biodegradowalności,Zielony chem., 107, 6, 2183-2206, 2007. [Linki]
Bruckmann, A., Krebs, A., Bolm, C., Reakcje organokatalityczne: wpływ frezowania kulki, mikrofalów i napromieniowania ultradźwiękowego,Zielony chem., 10, 1131-1141, 2008. [Linki]
Cann, M.C., wnosząc najnowocześniejszy, stosowany, nowatorski, zielony chemia w klasie, stosując prezydencką Green Chemistry Challenge Awards,Journal of Chemical EducationW76(12), 1630-1641, 1999. [Linki]
Clark, J.H., Green Chemistry: dziś (i jutro),Zielony chem., 8, 17-21, 2006a.[Spinki do mankietów]
Clark, J.H., Budarin, V., DeSwarte, F.E.I., Hardy, J.J.E., Kerton, F.M., Hunt, A.J., Luque, R., Macquarrie, D.J., Milkowski, K., Rodríguez, A., Samuel, O., Tavener, S.J., White, R.J.Wilson, A.J.Zielona chemia i biorefineria: parthnership for a Sustainable Future,Zielony chem., 8, 853-860, 2006b.[Spinki do mankietów]
Collins, T.J.y Walter, rozdz.Małe zielone cząsteczki,Sci.Jestem., March, 62-69, 2006. [Linki]
Corma, A., Iborra, S. Velty, A., Drogi chemiczne do transformacji biomasy w chemikalia,Zielony chem., 107, 6, 2411-2502, 2007. [Linki]
Curran, D.P., Fluorowe metody syntezy i oddzielenia cząsteczek organicznych,Czysty Appl.Chem.,72(9), 1649-165, 2000. [Linki]
Curzons, A.L., Constable, J.C., Mortimer, D.N., Cunningham, V.L., więc uważasz, że twój proces jest zielony, skąd wiesz?Wykorzystanie zasad zrównoważonego rozwoju w celu ustalenia, co jest zielone, perspektywa korporacyjna,Zielony chem., 3, 1-3, 2001. [Linki]
Docherty, K.M.i Kulpa, C.F.Jr., toksyczność i aktywność przeciwdrobnoustrojowa ionicowych cieczy ionowych i pirydyniowych,Zielony chem., 7, 185-189, 2005. [Linki]
Doxsee, K.M.i Hutchison, J.E.,Zielona chemia organiczna.Strategie, narzędzia i eksperymenty laboratoryjne.Thomson Brooks/Cole, 2003. [Links]
Gallezot, P., Opcje procesów konwersji odnawialnych surowców na bioprodukty,Zielony chem., 9, 295-302, 2007. [Linki]
Harjani, J.R., Singer, R.D., García, M.T.i Scammells, P.J., biodegradowalne ciecze jonowe pirydyniowe: projekt, synteza i ocena,Zielony chem., 11, 83-90, 2009. [Linki]
Hobbs, H.R. i Thomas, N.R., Biokataliza w płynach nadkrytycznych, w fluorowych rozpuszczalnikach i w warunkach wolnych od rozpuszczalników,Zielony chem., 107 (6), 2786-2820, 2007. [Linki]
Kabalka, G.W., Pagni, R.M., Wang L., Namboodiri, V., Hair, C.M., wspomagane mikrofalami reakcje sprzęgania Susuki na tlenku glinu domieszkowanym na palladu,Zielony chem., 3, 120-122, 2000. [Linki]
Khetan, S.K.i Collins, T.J., Human Pharmaceuticals w środowisku wodnym: wyzwanie dla zielonej chemii,Zielony chem.,107(6), 2319-2364, 2007. [Linki]
Kümmerer, K., Zrównoważony od samego początku: racjonalny projekt cząsteczek przez inżynierię cyklu życia jako ważne podejście dla zielonej apteki i zielonej chemii,Zielony chem., 9, 899-907, 2007. [Linki]
Morrissey, S., Pegot, B., Coleman, D., García, M.T., Ferguson, D., Quilty, B. i Gathergood, N., Biodegradable, nie-baktericidalne estry imidazolium: krok w kierunku „zielonego„płyny jonowe,Zielony chem., 11, 475-483, 2009. [Linki]
Nara, S.J., Harjani, J.R., Salunkhe, M.M., katalizowana lipazaTetrahedron Lett., 43, 2979-2982, 2002. [Linki]
Petrus, L. i Noordermeer, A., biomasa do biopaliw, perspektywa chemiczna,Zielony chem., 8, 861-867, 2006. [Linki]
Ranke, J., Stolte, S., Störmann, R., Arning, J. and Jastorff, B., Projektowanie zrównoważonych produktów chemicznych.Przykład płynów jonowych,Zielony chem.,107(6), 2183-2206, 2007. [Linki]
Riva, S., Lakazy: Niebieskie enzymy dla zielonej chemii,Trendy w biotechnologii, 24(5), 219-226, 2006. [Linki]
Shappell, N.W., Vrabel, M.A., Madsen, P.J., Harrington, G., Billey, L.O., Hakk, H., Larsen, G.L., Beach, E.S., Horwitz, C.P., Ro, K., Hunt, P.G., Collins, T.J., Zniszczenie estrogenów za pomocą katalizy Fe-TAML/nadtlenku,Otaczać.Sci.Technol.W42(4), 1296-1300, 2008. [Linki]
Sheldon, R.A., The E Factor: Piętnaście lat w,Zielony chem., 9, 1273-1283, 2007. [Linki]
Van Aken, K.V., Strekowski, L. i Patiny, L., Ecoscale, półilościowe narzędzie do wyboru przygotowania organicznego opartego na parametrach ekonomicznych i ekologicznych,Beilstein J. Org. Chem.,2(3), 1-7, 2006. [Linki]
Zhang, W., Zielona chemia aspekty technik fluorskich i wyzwań dla syntezy organicznej na małą skalę,Zielony chem., 11, 911-920, 2009. [Linki]