Zelená chemie neboli udržitelná chemie je strategická snaha o zelené a udržitelné postupy v chemickém průmyslu, jejímž cílem je dosáhnout dvojího cíle: vyšší efektivity a snížení množství odpadu.
Podívejte se na náš úplný seznam zdrojů zelené a udržitelné chemie včetně případových studií a příkladů z oboru. Tato bílá kniha ukazuje, jak data v reálném čase poskytovaná pokročilou technologií společnosti METTLER TOLEDO podporují zelenou a udržitelnou chemii při výzkumu, vývoji a výrobě farmaceutických, chemických a polymerních molekul a produktů.
12 principů zelené chemie bylo vyvinuto na konci 90. let chemiky, kteří chtěli učinit chemické procesy bezpečnějšími a udržitelnějšími. Dodržování těchto pokynů ve vaší laboratoři vám může pomoci minimalizovat vaši ekologickou stopu. Skvělá věc na těchto principech je, že je lze implementovat kdekoli od malých laboratoří až po velké průmyslové provozy.
Předcházejte plýtvání: Navrhujte chemické syntézy tak, aby se zabránilo vzniku odpadů, protože je lepší jim předcházet než je upravovat nebo čistit. To je základní princip udržitelné chemie.
Maximalizace ekonomiky atomů: Maximalizujte podíl výchozích materiálů, které jsou začleněny do konečného produktu. Tím se minimalizuje plýtvání tím, že se plýtvá jen malým počtem atomů nebo žádnými atomy.
Navrhujte méně nebezpečné chemické syntézy: Používejte a generujte látky s malou nebo žádnou toxicitou pro člověka nebo životní prostředí. Tím se snižuje riziko u zdroje.
Navrhujte bezpečnější chemikálie a produkty: Vyvíjejte chemické produkty, které jsou plně účinné a plní požadovanou funkci při minimální toxicitě.
Používejte bezpečnější rozpouštědla a reakční podmínky: Vyhněte se používání pomocných látek, jako jsou rozpouštědla, nebo používejte bezpečnější alternativy. Provozní reakce při pokojové teplotě a tlaku také zvyšují energetickou účinnost.
Zvýšení energetické účinnosti: Minimalizujte energetické požadavky chemických procesů, abyste snížili dopad na životní prostředí i ekonomiku. Pokud je to možné, používejte okolní teplotu a tlak.
Používejte obnovitelné suroviny: Využívat suroviny, které jsou spíše obnovitelné než vyčerpatelné. Zemědělské produkty a odpadní toky jsou často zdrojem obnovitelných surovin.
Vyhněte se chemickým derivátům: Minimalizujte používání dočasných úprav, jako je blokování nebo ochrana skupin. Tyto kroky vyžadují další činidla a vytvářejí zbytečný odpad.
Používejte katalyzátory, nikoli stechiometrická činidla: Používejte katalytická činidla, která jsou selektivní a účinná v malých množstvích, protože jsou lepší než stechiometrická činidla, která se používají v nadměrném množství a produkují více odpadu.
Navrhněte chemikálie a produkty tak, aby se po použití rozložily: Vytvářejte chemické produkty, které se na konci své funkce rozkládají na neškodné látky a zabraňují jejich přetrvávání v životním prostředí.
Analyzujte v reálném čase, abyste zabránili znečištění: Vyvíjet analytické metodiky pro monitorování a kontrolu v reálném čase během syntéz, aby se zabránilo tvorbě nebezpečných vedlejších produktů. Řešení procesní analytické technologie (PAT) jsou klíčem k tomuto principu.
Minimalizujte možnost nehod: Vybírejte chemikálie a jejich fyzikální formy, abyste minimalizovali riziko chemických havárií, včetně výbuchů, požárů a úniků do životního prostředí.
"Zelená chemie je návrh chemických produktů a procesů, které snižují nebo eliminují používání nebo tvorbu nebezpečných látek. Zelená chemie se uplatňuje v celém životním cyklu chemického produktu, včetně jeho návrhu, výroby, použití a konečné likvidace."
Environmental Protection Agency (EPA)
Vývoj účinných, udržitelných a často nových produktů a procesů vyžaduje hluboké znalosti a přesné řízení. Dosažení dvojího cíle zelené chemie, kterým je efektivita a snížení plýtvání, v mnoha ohledech znamená chytřejší chemii. Přístup k podrobným údajům o časovém průběhu a jemné ovládání parametrů vyžaduje správné nástroje.
Jedním z nejaktivnějších trendů v ekologické chemické výrobě je Quality by Design (QbD) a jedním z hlavních principů QbD je požadavek na budování rozsáhlého porozumění reakcím a procesům prostřednictvím online procesní analytické technologie (PAT) v reálném čase . QbD je tedy hnacím motorem pro vývoj technologie reakční analýzy v reálném čase. Kromě toho je porozumění informacím a procesům, které lze získat z komplexních dat poskytovaných reakční analýzou v reálném čase, výrazně vylepšeno aplikací metod modelování a analýzy dat, které plně využívají experimenty bohaté na data (DRE).
Dalším trendem v zelené chemii je rychle se vyvíjející vývoj nových syntéz (a konverze starší chemie) pomocí metod kontinuálního toku , které nabízejí několik výhod z hlediska produktivity a udržitelnosti. Průtokové chemii nejlépe poslouží technologie reakční analýzy, která poskytuje nepřerušovaná, kontinuální měření. Technologie analýzy v reálném čase včetně online FTIR, Raman, Ultraviolet-visible (UV/Vis), NIR, NMR, HPLC a MS se rutinně používají k analýze chemie proudění a k zajištění stability a výkonu průtokových systémů. Analýza v reálném čase také umožňuje vývoj sebeoptimalizačních systémů pro reakce a procesy.
"Udržitelná chemie je vědecký koncept, který se snaží zlepšit efektivitu, s jakou jsou přírodní zdroje využívány k uspokojení lidských potřeb chemických produktů a služeb. Udržitelná chemie zahrnuje návrh, výrobu a používání účinných, efektivních, bezpečných a ekologicky šetrnějších chemických produktů a procesů."
OECD, 2022 (Organisation for Economic Co-operation and Development)
Procesní analytické technologie (PAT), jako je in-situ FTIR a FBRM, jsou klíčovou hnací silou výzkumu zelené chemie, protože umožňují vědcům a inženýrům sledovat a řídit reakce a procesy v reálném čase. Získaná bohatá analytická data poskytují cenný vhled do kinetiky reakcí, fyzikálních transformací a vlivu proměnných na výkon, což vědcům a inženýrům umožňuje činit rozhodnutí založená na datech, která podporují principy zelené chemie.
Nic z toho samozřejmě není možné bez přesné kontroly. Výzkumníci používají automatizované pracovní stanice pro syntézu k přesnému řízení a zaznamenávání všech hlavních úkolů prováděných kolem reaktoru (teplota, míchání, dávkování a odběr vzorků) bez jakéhokoli ručního zásahu. Provádění reakcí in silico nabízí další způsob, jak dosáhnout cílů udržitelnosti, což vědcům umožňuje prověřovat rozpouštědla, určovat optimální podmínky a testovat nové nápady pomocí umělé inteligence a statistiky.
Společnost METTLER TOLEDO již více než tři desetiletí vyvíjí výkonné nástroje pro analýzu PAT a reakcí na podporu výzkumu a vývoje a rozšiřování ekologických chemických syntéz a robustních procesů. Schopnost nepřetržitě automaticky monitorovat, vzorkovat a řídit reakce a rychle přeměňovat experimentální data na užitečné informace způsobila revoluci ve vědeckém bádání. Naléhavá potřeba dělat více s našimi stávajícími zdroji a snižovat množství odpadu nyní vyžaduje využití stejných nástrojů k podpoře zeleného a udržitelného výzkumu, vývoje a výroby v celém chemickém průmyslu.
Porozumění kinetice reakce, přechodům polymorfů a mechanismům pro optimalizaci procesních proměnných v reálném čase.
Porozumění kinetice, mechanismům a dráze reakce v reálném čase pro optimalizaci reakčních proměnných.
Pořizujte snímky částic in-situ s vysokým rozlišením a získejte hluboké porozumění procesům pro složité systémy.
Vkládá se přímo do laboratorních reaktorů pro sledování měnící se velikosti částic a počítání v reálném čase při plných procesních koncentracích.
Zvyšte produktivitu ve své laboratoři pomocí reaktorů pro ekologickou syntézu s vestavěnými automatizačními nástroji.
Automatizované a bezobslužné řešení pro odběr vzorků, které poskytuje vysoce kvalitní vzorky ve dne i v noci pro standardní offline analýzu, jako je HPLC.
Odhad kinetických parametrů, in silico modelování, vývoj optimálních reakčních podmínek.
Jednotný přístup podporuje aplikace mezi laboratořemi pro spektroskopii, charakterizaci částicových systémů, přesné řízení reaktoru a kalorimetrii.
Úkol k vyřešení: Prozkoumat a vyvinout ekologičtější proces tvorby sférických částic a granulace ethylvanilinu.
Syntetická příchuť ethylvanilin je široce používána v různých spotřebních výrobcích, ale praktické problémy související se skladováním a spékáním brání jejímu dalšímu rozsáhlému použití. Přednostní vytváření sférických částic může tyto problémy zmírnit, zefektivnit následné zpracování a vést ke zvýšení kvality produktu. Standardní metody sférické krystalizace však často zahrnují nebezpečná a drahá organická rozpouštědla. Tato práce popisuje vývoj technologie proolejování sférické aglomerace , která eliminuje potřebu organických rozpouštědel a poskytuje ekologičtější a nákladově efektivnější proces. Výzkumníci použili procesní analytické technologie ke zkoumání jevu vytlačování ethylvanilinu ve vodném roztoku. Mechanistický vhled získaný sledováním měnící se koncentrace rozpuštěné látky pomocí FTIR (ReactIR), jakož i počtu částic a morfologie pomocí programů EasyViewer a ParticleTrack G400 (sonda založená na FBRM) umožnil preferenční tvorbu sférických částic ve vodném roztoku chloridu sodného pomocí jednoduchého procesu ohřevu a zhášení. Výsledný sférický produkt ethylvanilinu má vynikající práškové vlastnosti, vysokou tekutost a vysoký výtěžek, díky čemuž je nejen šetrnější k životnímu prostředí, ale také kvalitnějším produktem.
"S ohledem na současné problémy s příliš rychlým uvolňováním aroma a špatnými práškovými vlastnostmi ethylvanilinu se tato práce systematicky zabývá fenoménem vymazávání a mechanismem tvorby sférických částic ethylvanilinu ve vodném roztoku. Pomocí procesních analytických technologií (ATR-FTIR, FBRM a EasyViewer) se zjistilo, že se změnami teploty dochází ke dvěma typům jevů odolejování ethylvanilinu ve vodě. Výsledky IR spekter dále ukázaly, že vnitřním důvodem pro výskyt dvou jevů vymývání ethylvanilinu ve vodě je přepínání různých druhů mezimolekulárních vodíkových vazeb indukované solvatací... Sférické částice ethylvanilinu se úspěšně připravují ve vodném roztoku chloridu sodného technologií olejování sférické aglomerace. Tato ekologická technologie eliminuje použití nebezpečných rozpouštědel a kombinuje dvě jednotkové operace krystalizace a granulace, což je vhodné zejména pro potravinářský průmysl."
Liu, Y., Wang, S., Li, J., Guo, S., Yan, H., Li, K., Tong, L., Gao, Y., Li, T., Chen, M, Gao, Z. & Gong, J. (2023). Příprava sférických částic ethylvanilinu s funkcemi trvalého uvolňování a protispékání procesem bez organických rozpouštědel. Potravinářská chemie, 402, 134518. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2022.134518
Výzva: Vyvíjejte účinnější a bezpečnější oxidační reakci ketolátek pomocí kyslíku – zeleného, levného činidla.
Použití kyslíku jako oxidačního činidla je ekologicky atraktivní, ale představuje bezpečnostní rizika, pokud se provádí v dávce kvůli potenciálnímu spalování par rozpouštědel v horním prostoru reaktoru. Fava et. al. koncipoval a vyvinul kontinuální průtokový přístup k aerobní oxidaci ketonového meziproduktu při syntéze protinádorové API, AZD4635, čímž účinně zmírnil toto riziko. Oxidace ketonů byla podporována katalyzátorem octanu měďnatého v rozpouštědle DMSO a byl zkoumán vliv teploty reaktoru, zatížení katalyzátoru a průtoku plynu. Data získaná prostřednictvím ReactIR poskytla klíčový pohled na vztah mezi teplotou a konverzí, což umožnilo snadnou optimalizaci reakční teploty. Implementace optimalizovaného kontinuálního toku snížila celkovou syntézu API na tři kroky (na rozdíl od pěti v dávce), což vedlo k bezpečnějšímu, ekologičtějšímu a ekonomičtějšímu procesu.
"Po změně koncentrace jsme znovu optimalizovali reakční teplotu. Abychom získali analytická data v reálném čase, implementovali jsme přístroj Mettler Toledo ReactIR 15 vybavený průtokovou buňkou, která byla zabudována na výstupu z nastavení kontinuálního průtoku . Aby se snížil hluk pozadí způsobený kyslíkovými bublinami v článku, byl mezi výstup z reaktoru a průtočnou celu zaveden membránový separátor. IR spektra pro 3 [keton] a 4 [oxidovaný produkt] ukázala různá absorpční pásma na 1689 cm−1 a 1675, 1693 cm−1, v tomto pořadí. Relativní přeměna tak mohla být sledována v reálném čase a změnou teploty jsme zjistili, že oxidace probíhala s vynikající konverzí při 120 °C, zatímco nižší teploty vedly k neúplné konverzi."
Fava, E., Karlsson, S., & Jones, M. D. (2022). Použití kyslíku jako primárního oxidačního činidla v kontinuálním procesu: Aplikace na vývoj účinné cesty k AZD4635. Výzkum a vývoj organických procesů, 26(4), 1048–1053. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.1c00279
Výzva: Vyvinout udržitelnější chemickou metodu pro syntézu fluorovaných sloučenin s využitím rhodiových a iridiových komplexů jako katalyzátorů. Změřte reakční časy a určete vliv arylové substituce na rychlost fluorace.
Farmaceutický průmysl zvýšil strategický zájem o vývoj čistých katalytických metodik pro syntézu fluorovaných sloučenin. V roce 2020 obsahovalo 37 % všech malomolekulárních léčiv schválených FDA alespoň jednu fluorovou skupinu, což je výrazný nárůst oproti 26 % mezi lety 2011 a 2020. Běžné existující syntetické metody však často vyžadují použití vysoce reaktivních fluorovaných činidel. Vědci hodnotili aktivitu nedávno objevených organokovových komplexů směrem ke katalytické fluoraci a vyvinuli účinný protokol pro použití [(η5,κ2C-C5Me4CH2C6F5CH2NC3H2NMe)-RhCl] ke katalýze fluorace řady acylchloridů jako donoru fluoridu. Vyvinutý protokol vedl k vynikajícímu výtěžku (94 %) za něco málo než jednu hodinu a umožnil regeneraci katalyzátoru, což dále zvýšilo atomovou ekonomiku syntézy. In-situ FTIR (ReactIR) měření ověřila čistou konverzi substrátů na produkty a také poskytla bohatá data o časovém průběhu potřebná pro výpočetní výzkum vedoucí k návrhu mechanismu zahrnujícího tvorbu nové vazby Rh–F.
Morgan, P.J., Saunders, G.C., Macgregor, SA, Marr, AC & a Licence, P. (2022). Nukleofilní fluorace katalyzovaná cyklometalizovaným rhodiovým komplexem. Organokovové látky, 41, 883−891. https://doi.org/10.1021/acs.organomet.2c00052
Výzva: Vyvinout ekologičtější syntetickou cestu pro molekulu antagonisty opioidů pomocí elektrochemické syntézy. Získejte přehled o mechanismu oxidaceN-CH3 skupiny na miniaturu.
Zvýšená poptávka po život zachraňujících lécích, které mohou zvrátit předávkování opioidními léky, vedla k výraznému zvýšení jejich ceny. Nedávný výzkum zaměřený na snížení výrobních nákladů prostřednictvím efektivnějších syntetických cest se zaměřil na nejnáročnější kroky při přípravě mnoha opioidních antagonistů – selektivní N-demetylaci prekurzoru 14-hydroxymorfinu. Ve velkém měřítku se N-demethylace provádí stechiometrickým množstvím nebezpečných chemikálií, jako je bromid kyanogenu nebo chloromravenčany. Výzkumníci vyvinuli elektrochemickou metodu bez katalyzátoru a činidla pro krok N-demethylace založenou na dvouelektronové anodické oxidaci terciárního aminu, čímž poskytuje mnohem udržitelnější a levnější přístup. Byl proveden screening počátečních reakčních podmínek pomocí elektrolýzy oxykodonu v nerozdělené buňce při pokojové teplotě jako modelu. Použití grafitové anody a katody z nerezové oceli v acetonitrilu s LiClO4 jako podpůrným elektrolytem dosáhlo 29% konverze na oxazolidin s velmi dobrou selektivitou. In-situ FTIR poskytoval monitorování iontu iminia v reálném čase, což vedlo k navrženému mechanismu pro elektrochemickou oxazolidinaci a demethylativní O,N-acylový přenos několika důležitých prekurzorů opioidů. Vyvinutý protokol byl přenesen do buňky pro průtokovou elektrolýzu, což umožňuje škálování.
“… Byl také proveden pokus o přímé pozorování iontu Iminium infračervenou spektroskopií, opět za použití metodiky "Cation Pool". V tomto případě byla FTIR sonda ponořena do anodické komory rozdělené buňky. Derivát oxykodonu 6-oxyodol, s ketonovou skupinou redukovanou na alkohol, byl použit jako substrát k eliminaci interference karbonylového signálu z IR. Potěšivé je, že při elektrolýze se objevil slabý pík na cca. 1657 cm–1 , který by mohl být připsán C═N úseku meziproduktu. Pozorovaný slabý signál podpořil hypotézu, že iminiový kationt není dostatečně stabilní při teplotě −45 °C."
Glotz, G., Kappe, C. O., & Cantillo, D. (2020). Elektrochemická N-demethylace 14-hydroxymorfinanů: Udržitelný přístup k antagonistům opioidů. Organické dopisy, 22(17), 6891–6896. https://doi.org/10.1021/acs.orglett.0c02424
Úkol k vyřešení: Vyvinout ekologický, robustní a vysoce účinný proces syntézy enantiomerně čistých hexenoátů.
Enantiomerně čisté (3R)-3-hydroxyl-5-hexenoáty (1) jsou důležitými chirálními meziprodukty při syntéze různých farmaceutických sloučenin. Syntetické strategie přístupu (1) založené na chemických metodách mají významné nedostatky související s produktivitou a udržitelností. Biokatalýza nabízí udržitelnou alternativu. Duální enzymový systém složený z mutované KRED (tj. KRED-06) a kefírové alkoholdehydrogenázy Lactobacillus (LkADH) ve spojení s recyklací kofaktorů in-situ poskytuje vynikající výtěžek a enantioselektivitu (1), ale praktické problémy pro průmyslové použití přetrvávají.
K řešení těchto problémů vyvinuli výzkumníci zelený kontinuální průtokový proces , který vyrábí (1) komobilizací KRED/LkADH do polyvinyálního alkoholového nosiče (PVA) prostřednictvím zachycení a jeho vložením do trubkového reaktoru s inline mikrofluidní extrakcí kapalina-kapalina a membránovými separačními jednotkami. Testování různých nosičů odhalilo, že PVA poskytuje nejvyšší katalytickou aktivitu i mechanickou a fyzikální stabilitu. Následná rychlá optimalizace využila inline FTIR a GC-MS analýzu. ReactIR byl použit ke zjištění, že po výstupu reakčního proudu z průtočného reaktoru bylo dosaženo ustáleného stavu a že uvnitř průtočného reaktoru byl vytvořen ideální pístový tok, což potvrdilo, že reakční roztok byl při průtoku přes naplněný KRED/LkADH@PVA dobře distribuován.
"Rychlá optimalizace průtokové reakce byla provedena s využitím inline FTIR monitorování a GC−MS analýzy. Kontinuální syntéza s modelovým substrátem může umožnit výrazné zesílení procesu ve srovnání s odpovídající vsádkovou reakcí... Výsledky této práce nejen podtrhují robustnost a užitečnost KRED/LkADH@PVA ale také poskytují ekologičtější a udržitelnější proces kontinuálního toku pro vysoce efektivní výrobu enantiomerně čistých (3R)-hydroxyl-5-hexenoátů, které lze snadno realizovat ve velkém měřítku.
Hu, C., Huang, Z., Jiang, M., Tao, Y., Li, Z., Wu, X., Cheng, D., & Chen, F. (2021). Kontinuální asymetrická syntéza (3R)-3-hydroxyl-5-hexenoátů s ko-imobilizovanou ketoreduktázou a Lactobacillus kefír dehydrogenázou integrující zelenější inline mikrofluidní extraktory kapalina-kapalina a membránové separátory. ACS Udržitelná chemie a inženýrství, 9(27), 8990–9000. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c01419
Výzva: Aby se eliminovaly drsné reakční podmínky a agresivní činidla používaná pro methylaci organohalidů, byl vyvinut nový přístup, který používá trimethyl orthoformate jako zdroj methylu v niklové/fotoredoxní katalýze.
Tento nový přístup k methylaci organohalogenidů lze provádět za relativně mírných podmínek, bez agresivních nebo vysoce toxických chemikálií, s použitím běžného organického činidla trimethyl orthoformiátu jako zdroje methylové skupiny a je v souladu s cíli zelené chemie. ReactIR a NMR podporují ß-štěpný mechanismus reakce.
Jakmile byl rozsah reakce důkladně prozkoumán, byl mechanismus reakce zkoumán pomocí in-situ FTIR. Sledování reakce ukázalo, že dimethylkarbonát a 4'-methylacetofenon jsou generovány v poměru 1:1 z výchozího materiálu 4'-chloracetofenonu. Kvantitativní 13C NMR také ukázala, že tvorba produktů byla v poměru 1:1. IR a NMR experimenty byly považovány za indikativní pro celkovou kinetiku nenultého řádu. Tvorba stechiometrických veličin vedlejšího produktu dimethylkarbonátu je v souladu s ß-štěpným mechanismem.
Kariofillis, S. K., Shields, B. J., Tekle‐Smith, M. A., Zacuto, M. J., & Doyle, A. G. (2020). Niklem/fotoredoxně katalyzovaná methylace (hetero)arylchloridů s použitím trimethylorthoformatu jako zdroje methylových radikálů. Časopis Americké chemické společnosti, 142(16), 7683–7689. https://doi.org/10.1021/jacs.0c02805
Analýza v reálném čase je základním principem zelené chemie, který podporuje používání analytických metod k identifikaci a sledování znečišťujících látek ve výrobním procesu. Shromažďováním dat v reálném čase lze přijmout okamžitá opatření, aby se zabránilo dalšímu znečištění a chránilo životní prostředí.
Analýza v reálném čase využívá moderní technologii založenou na sondách, kterou lze umístit přímo do procesních toků, což umožňuje analytické profilování materiálu během reakce. Mezi příklady technologie analýzy v reálném čase patří: