Grøn kemi, eller bæredygtig kemi, er den strategiske drivkraft mod grøn og bæredygtig praksis i den kemiske industri, der sigter mod at nå et dobbelt mål om større effektivitet og reduceret affald.
Se vores fulde liste over grønne og bæredygtige kemiressourcer, herunder casestudier og brancheeksempler. Dette white paper viser, hvordan realtidsdata fra avanceret teknologi fra METTLER TOLEDO understøtter grøn og bæredygtig kemi i forskning, udvikling og produktion af farmaceutiske, kemiske og polymere molekyler og produkter.
De 12 principper for grøn kemi blev udviklet i slutningen af 1990'erne af kemikere, der ønskede at gøre kemiske processer sikrere og mere bæredygtige. At følge disse retningslinjer i dit laboratorium kan hjælpe dig med at minimere dit miljømæssige fodaftryk. En god ting ved disse principper er, at de kan implementeres overalt fra små laboratorier til store industrielle operationer.
Forebyg spild: Design kemiske synteser for at forhindre affald, da det er bedre at forebygge end at behandle eller rydde op. Dette er et grundlæggende princip for bæredygtig kemi.
Maksimer atomøkonomien: Maksimer andelen af udgangsmaterialer, der er inkorporeret i det endelige produkt. Dette minimerer spild ved at sikre, at få eller ingen atomer går til spilde.
Design mindre farlige kemiske synteser: Bruge og generere stoffer med ringe eller ingen toksicitet for mennesker eller miljø. Dette reducerer risikoen ved kilden.
Design sikrere kemikalier og produkter: Udvikle kemiske produkter, der er fuldt effektive og udfører deres ønskede funktion, samtidig med at de har minimal toksicitet.
Brug sikrere opløsningsmidler og reaktionsbetingelser: Undgå at bruge hjælpestoffer som opløsningsmidler, eller brug sikrere alternativer. Kørereaktioner ved stuetemperatur og tryk øger også energieffektiviteten.
Øg energieffektiviteten: Minimer energibehovet i kemiske processer for at reducere både miljømæssig og økonomisk påvirkning. Brug omgivelsestemperatur og tryk, når det er muligt.
Brug vedvarende råmaterialer: Brug råmaterialer, der er vedvarende i stedet for udtømmelige. Landbrugsprodukter og affaldsstrømme er ofte kilder til vedvarende råmaterialer.
Undgå kemiske derivater: Minimer brugen af midlertidige ændringer som blokering eller beskyttelse af grupper. Disse trin kræver yderligere reagenser og genererer unødvendigt affald.
Brug katalysatorer, ikke støkiometriske reagenser: Anvend katalytiske reagenser, der er selektive og effektive i små mængder, da de er overlegne i forhold til støkiometriske reagenser, som bruges i overskud og producerer mere affald.
Design kemikalier og produkter til nedbrydning efter brug: Skab kemiske produkter, der nedbrydes til uskadelige stoffer i slutningen af deres funktion, hvilket forhindrer dem i at forblive i miljøet.
Analyser i realtid for at forhindre forurening: Udvikle analytiske metoder til overvågning og kontrol i realtid under synteser for at forhindre dannelse af farlige biprodukter. Løsninger til procesanalytisk teknologi (PAT) er nøglen til dette princip.
Minimer risikoen for ulykker: Vælg kemikalier og deres fysiske former for at minimere risikoen for kemiske ulykker, herunder eksplosioner, brande og miljøudslip.
"Grøn kemi er design af kemiske produkter og processer, der reducerer eller eliminerer brugen eller genereringen af farlige stoffer. Grøn kemi gælder på tværs af et kemisk produkts livscyklus, herunder dets design, fremstilling, brug og endelige bortskaffelse."
Environmental Protection Agency (EPA)
Udvikling af effektive, bæredygtige og ofte nye produkter og processer kræver indgående viden og præcis kontrol. På mange måder betyder opnåelse af grøn kemis dobbelte mål om effektivitet og reduceret spild at udføre smartere kemi. Adgang til detaljerede tidsforløbsdata og finparameterstyring kræver de rigtige værktøjer.
En af de mest aktive tendenser inden for grøn kemisk produktion er Quality by Design (QbD), og et af hovedprincipperne i QbD er kravet om at opbygge ekspansiv reaktions- og procesforståelse gennem online, realtids procesanalytisk teknologi (PAT). QbD er således en drivkraft for udvikling af realtidsreaktionsanalyseteknologi. Desuden forbedres informations- og procesforståelsen, der kan hentes fra de omfattende data, der leveres af realtidsreaktionsanalyse , betydeligt ved anvendelse af modellerings- og dataanalysemetoder, der gør fuld brug af datarige eksperimenter (DRE).
En anden tendens inden for grøn kemi er den hastigt udviklende udvikling af nye synteser (og konvertering af ældre kemi) ved hjælp af kontinuerlige strømningsmetoder , som giver flere fordele med hensyn til produktivitet og bæredygtighed. Realtidsanalyseteknologi, herunder online FTIR, Raman, Ultraviolet-visible (UV/Vis), NIR, NMR, HPLC og MS, bruges alle rutinemæssigt til at analysere flowkemi og til at sikre stabiliteten og ydeevnen af flowsystemer. Realtidsanalyse muliggør også udvikling af selvoptimeringssystemer til reaktioner og processer.
"Bæredygtig kemi er et videnskabeligt koncept, der søger at forbedre effektiviteten, hvormed naturressourcer bruges til at opfylde menneskelige behov for kemiske produkter og tjenester. Bæredygtig kemi omfatter design, fremstilling og brug af effektive, sikre og mere miljøvenlige kemiske produkter og processer."
OECD, 2022 (Organisation for Economic Co-operation and Development)
Procesanalytisk teknologi (PAT), såsom in-situ FTIR og FBRM, har været en vigtig drivkraft for grøn kemiforskning, hvilket giver forskere og ingeniører mulighed for at overvåge og kontrollere reaktioner og processer i realtid. De rige analytiske data, der opnås, giver værdifuld indsigt i reaktionskinetik, fysiske transformationer og effekten af variabler på ydeevnen, hvilket gør det muligt for forskere og ingeniører at træffe dataunderstøttede beslutninger, der understøtter grønne kemiprincipper.
Selvfølgelig er intet af dette muligt uden præcis kontrol. Forskere har brugt automatiserede syntesearbejdsstationer til nøjagtigt at kontrollere og registrere alle de vigtigste opgaver, der udføres omkring en reaktor (temperatur, omrøring, dosering og prøveudtagning) uden manuel indgriben. At udføre reaktioner in silico tilbyder endnu en måde at nå bæredygtighedsmål på, hvilket giver forskere mulighed for at screene opløsningsmidler, bestemme optimale forhold og teste nye ideer ved hjælp af kunstig intelligens og statistik.
I mere end tre årtier har METTLER TOLEDO udviklet effektive PAT- og reaktionsanalyseværktøjer til at understøtte forskning og udvikling og opskalering af grønne kemiske synteser og robuste processer. Evnen til automatisk at overvåge, indsamle og kontrollere reaktioner i realtid døgnet rundt og hurtigt omdanne eksperimentelle data til brugbar information har revolutioneret videnskabelige undersøgelser. Det presserende behov for at gøre mere med vores eksisterende ressourcer og reducere spild kræver nu, at vi udnytter de samme værktøjer til at drive grøn og bæredygtig forskning, udvikling og produktion på tværs af den kemiske industri.
Realtidsforståelse af reaktionskinetik, polymorfe overgange og mekanismer til optimering af procesvariabler.
Realtidsforståelse af reaktionskinetik, mekanismer og vej til optimering af reaktionsvariabler.
Tag billeder i høj opløsning af partikler in-situ for at opnå dyb procesforståelse for komplekse systemer.
Indsættes direkte i laboratoriereaktorer for at spore skiftende partikelstørrelse og -antal i realtid ved fulde proceskoncentrationer.
Øg produktiviteten i dit laboratorium med grønne syntesereaktorer med indbyggede automatiseringsværktøjer.
Automatiseret og uovervåget prøveudtagningsløsning, der leverer prøver af høj kvalitet dag og nat til standard offline-analyse, såsom HPLC.
Estimer kinetiske parametre, in silico-modellering, udvikler optimale reaktionsbetingelser.
En samlet tilgang understøtter laboratorie-til-anlæg-applikationer til spektroskopi, karakterisering af partikelsystemer, præcis reaktorkontrol og kalorimetri.
Udfordring: Undersøge og udvikle en grønnere proces for sfærisk partikeldannelse og granulering af ethylvanillin.
Den syntetiske smag ethylvanillin er meget udbredt i en række forbrugerprodukter, men praktiske udfordringer i forbindelse med opbevaring og sammenklumpning hindrer dens videre anvendelse i stor skala. Fortrinsvis dannelse af sfæriske partikler kan afbøde disse problemer, hvilket gør downstream-behandlingen mere effektiv og resulterer i forbedret produktkvalitet. Standardmetoder til sfærisk krystallisation involverer imidlertid ofte farlige og dyre organiske opløsningsmidler. Dette arbejde beskriver udviklingen af en sfærisk agglomereringsteknologi , der eliminerer behovet for organiske opløsningsmidler, hvilket giver en grønnere og mere omkostningseffektiv proces. Forskere brugte procesanalytiske teknologier til at undersøge oliefænomenet ethylvanillin i vandig opløsning. Mekanistisk indsigt opnået ved at overvåge skiftende koncentration af opløste stoffer via FTIR (ReactIR) samt partikelantal og morfologi via EasyViewer og ParticleTrack G400 (FBRM-baseret sonde) muliggjorde den foretrukne dannelse af sfæriske partikler i en vandig opløsning af natriumchlorid ved hjælp af en enkel opvarmnings- og bratkølingsproces. Det resulterende sfæriske ethylvanillinprodukt har fremragende pulveregenskaber, høj flydeevne og højt udbytte, hvilket gør det ikke kun mere miljøvenligt at producere, men også et produkt af højere kvalitet.
"I lyset af de nuværende problemer med for hurtig aromafrigivelseshastighed og dårlige pulveregenskaber af ethylvanillin, undersøger dette arbejde systematisk olieringsfænomenet og dannelsesmekanismen af sfæriske partikler af ethylvanillin i en vandig opløsning. Ved hjælp af procesanalytiske teknologier (ATR-FTIR, FBRM og EasyViewer) viser det sig, at der forekommer to typer olieringsfænomener af ethylvanillin i vand med temperaturændringer. Yderligere viste resultaterne af IR-spektre, at den iboende årsag til udseendet af to olie-ud-fænomener af ethylvanillin i vand er omskiftning af forskellige slags intermolekylære hydrogenbindinger induceret ved opløsning ... Sfæriske partikler af ethylvanillin fremstilles med succes i den vandige opløsning af natriumchlorid ved hjælp af den sfæriske agglomerationsteknologi. Denne grønne teknologi eliminerer brugen af farlige opløsningsmidler og kombinerer de to enhedsoperationer krystallisering og granulering, hvilket er særligt velegnet til fødevareindustrien."
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). Fremstilling af sfæriske partikler af ethylvanillin med funktioner til vedvarende frigivelse og antiklumpning ved en organisk opløsningsmiddelfri proces. Fødevarekemi, 402, 134518. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2022.134518
Udfordring: Udvikle en mere effektiv og sikrere ketonoxidationsreaktion ved hjælp af ilt – et grønt, billigt reagens.
Brug af ilt som oxidant er miljømæssigt attraktivt, men udgør en sikkerhedsrisiko, når det udføres i batch på grund af den potentielle forbrænding af opløsningsmiddeldampe i reaktorhovedet. Fava et. al. konceptualiserede og udviklede en kontinuerlig flow-tilgang til aerob oxidation af et ketonmellemprodukt i syntesen af antitumor-API'en, AZD4635, hvilket effektivt mindskede denne risiko. Ketonoxidation blev fremmet af en kobberacetatkatalysator i DMSO-opløsningsmiddel, og effekten af reaktortemperatur, katalysatorbelastning og gasstrømningshastighed blev undersøgt. Data opnået via ReactIR gav vigtig indsigt i forholdet mellem temperatur og konvertering, hvilket muliggjorde nem optimering af reaktionstemperaturen. Implementering af det optimerede kontinuerlige flow reducerede den samlede API-syntese til tre trin (i modsætning til fem i batch), hvilket gav en sikrere, grønnere og mere økonomisk proces.
"Efter at have ændret koncentrationen reoptimerede vi reaktionstemperaturen. For at opnå analytiske data i realtid implementerede vi et Mettler Toledo ReactIR 15-instrument udstyret med en flowcelle, der blev indbygget ved udløbet af opsætningen med kontinuerligt flow. For at reducere baggrundsstøjen på grund af iltbobler i cellen blev der indført en membranseparator mellem reaktorens udløb og flowcellen. IR-spektre for 3 [keton] og 4 [oxideret produkt] viste forskellige absorptionsbånd ved henholdsvis 1689 cm−1 og 1675, 1693 cm−1. Den relative konvertering kunne derfor overvåges i realtid, og ved at variere temperaturen fandt vi, at oxidationen forløb med fremragende konvertering ved 120 °C, mens lavere temperaturer førte til ufuldstændig konvertering."
Fava, E., Karlsson, S., & Jones, M. D. (2022). Brug af ilt som den primære oxidant i en kontinuerlig proces: Anvendelse til udvikling af en effektiv vej til AZD4635. Organisk procesforskning og udvikling, 26(4), 1048–1053. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.1c00279
Udfordring: Udvikle en mere bæredygtig kemisk metode til syntetisering af fluorerede forbindelser ved hjælp af rhodium- og iridiumkomplekser som katalysatorer. Mål reaktionstider og bestem virkningerne af arylsubstitution på fluoreringshastigheder.
Medicinalindustrien har øget den strategiske interesse for at udvikle rene katalytiske metoder til at syntetisere fluorforbindelser. I 2020 indeholdt 37 % af alle småmolekylære lægemidler, der blev godkendt af FDA, mindst én fluordel – en markant stigning fra 26 % mellem 2011 og 2020. Imidlertid kræver almindelige eksisterende syntetiske metoder ofte brug af stærkt reaktive fluorerede reagenser. Forskere vurderede aktiviteten af nyligt opdagede organometalliske komplekser mod katalytisk fluorering og udviklede en effektiv protokol til at bruge [(η5,κ2C-C5Me4CH2C6F5CH2NC3H2NMe)-RhCl] til at katalysere fluorering af en række acylchlorider som fluordonor. Den udviklede protokol resulterede i fremragende udbytte (94%) på lidt som en time og muliggjorde genvinding af katalysatoren, hvilket yderligere øgede atomøkonomien i syntesen. In-situ FTIR (ReactIR) målinger verificerede den rene omdannelse af substrater til produkter, samt gav de rige tidsforløbsdata, der var nødvendige for beregningsmæssige undersøgelser, hvilket førte til en foreslået mekanisme, der involverer dannelsen af en ny Rh-F-binding.
Morgan, P.J., Saunders, G.C., Macgregor, S.A., Marr, A.C. & og Licence, P. (2022). Nukleofil fluorering katalyseret af et cyklometalleret rhodiumkompleks. Organometallics, 41, 883-891. https://doi.org/10.1021/acs.organomet.2c00052
Udfordring: Udvikle en grønnere syntetisk rute for et opioidantagonistmolekyle ved hjælp af en elektrokemisk baseret syntese. Få indsigt i mekanismen for oxidation af en N-CH3-gruppe til et iminium.
Øget efterspørgsel efter livreddende medicin, der kan vende overdosis af opioider, har ført til en betydelig stigning i deres pris. Nyere forskning, der har til formål at reducere produktionsomkostningerne via mere effektive syntetiske ruter, har fokuseret på de mest udfordrende trin i fremstillingen af mange opioidantagonister - den selektive N-demethylering af en 14-hydroxymorphinan-forløber. I stor skala udføres N-demethylering med støkiometriske mængder af farlige kemikalier såsom cyanogenbromid eller chlorformiat. Forskere udviklede en katalysator- og reagensfri elektrokemisk metode til N-demethyleringstrinnet baseret på to-elektron anodisk oxidation af den tertiære amin, hvilket giver en langt mere bæredygtig og billig tilgang. Indledende reaktionstilstandsscreening ved hjælp af elektrolyse af oxycodon i en udelt celle ved stuetemperatur som model blev udført. Ved at bruge en grafitanode og katode i rustfrit stål i acetonitril med LiClO4 som understøttende elektrolyt opnås 29 % omdannelse til oxazolidin med meget god selektivitet. In-situ FTIR gav realtidsovervågning af iminiumionen, hvilket førte til en foreslået mekanisme for den elektrokemiske oxazolidination og demethylative O,N-acyloverførsel af flere vigtige opioidprækursorer. Den udviklede protokol er blevet overført til en flowelektrolysecelle, hvilket muliggør opskalering.
“… Direkte observation af iminium-ionen ved infrarød spektroskopi blev også forsøgt, igen ved hjælp af "kationpulje"-metoden. I dette tilfælde blev en FTIR-sonde nedsænket i det anodiske kammer i den delte celle. Oxycodonderivat 6-oxyodol, med ketongruppen reduceret til en alkohol, blev brugt som substrat for at eliminere interferens af carbonylsignalet fra IR. Glædeligt nok dukkede der under elektrolyse en svag top op ved ca. 1657 cm-1 , som kunne tilskrives C-N-strækningen af mellemproduktet. Det svage signal, der blev observeret, understøttede hypotesen om, at iminiumkationen ikke er tilstrækkelig stabil ved -45 °C."
Glotz, G., Kappe, C. O., & Cantillo, D. (2020). Elektrokemisk N-demethylering af 14-hydroxymorfinaner: Bæredygtig adgang til opioidantagonister. Organiske bogstaver, 22(17), 6891–6896. https://doi.org/10.1021/acs.orglett.0c02424
Udfordring: Udvikle en grøn, robust og yderst effektiv proces til syntetisering af enantiomerisk rene hexenoater.
Enantiomerisk rene (3R)-3-hydroxyl-5-hexenoater (1) er vigtige kirale mellemprodukter i syntesen af en række farmaceutiske forbindelser. Syntetiske strategier for adgang (1) baseret på kemiske metoder har betydelige ulemper i forbindelse med produktivitet og bæredygtighed. Dobbeltenzymsystemet sammensat af en mutant KRED (dvs. KRED-06) og Lactobacillus kefiralkoholdehydrogenase (LkADH) kombineret med in-situ cofaktor-genbrug giver fremragende udbytte og enantioselektivitet af (1), men praktiske problemer til industriel anvendelse er stadig
For at løse disse problemer udviklede forskere en grøn kontinuerlig flow-proces til at producere (1) ved at co-immobilisere KRED/LkADH til en polyvinyal alkoholbærer (PVA) via indfangning og fylde den i en rørformet reaktor med inline mikrofluidisk væske-væskeekstraktion og membranseparationsenheder. Test af forskellige bærere afslørede, at PVA gav den højeste katalytiske aktivitet samt mekanisk og fysisk stabilitet. ReactIR blev brugt til at fastslå, at steady state blev nået, efter at reaktionsstrømmen forlod flowreaktoren, og at der blev dannet et ideelt propflow inde i flowreaktoren, hvilket bekræftede, at reaktionsopløsningen var godt fordelt, mens den strømmede gennem den pakkede KRED/LkADH@PVA.
"Optimering af hurtig flowreaktion blev udført ved at udnytte inline FTIR-overvågning og GC−MS-analyse. Syntesen af kontinuerligt flow med modelsubstratet kan give en markant procesintensivering i forhold til den tilsvarende batchreaktion... Resultaterne af dette arbejde understreger ikke kun robustheden og anvendeligheden af KRED/LkADH@PVA, men giver også en grønnere og mere bæredygtig kontinuerlig flowproces til højeffektiv produktion af enantiomerisk rene (3R)-hydroxyl-5-hexenoater, der let kan realiseres i stor skala.
Hu, C., Huang, Z., Jiang, M., Tao, Y., Li, Z., Wu, X., Cheng, D., & Chen, F. (2021). Asymmetrisk syntese af (3R)-3-hydroxyl-5-hexenoater med co-immobiliseret ketoreduktase og lactobacillus kefirdehydrogenase, der integrerer grønnere inline mikrofluidiske væske-væskeekstraktorer og membranseparatorer. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 9(27), 8990-9000. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c01419
Udfordring: For at eliminere de barske reaktionsbetingelser og aggressive reagenser, der bruges til methylering af organohalider, blev der udviklet en ny tilgang, der bruger trimethylortoformiat som methylkilde i en nikkel/fotoredox-katalyse.
Denne nye tilgang til methylering af organohalider kan udføres under relativt milde forhold uden aggressive eller meget giftige kemikalier ved hjælp af det almindelige organiske reagens trimethylorthoformiat som kilde til methylgruppen og er i overensstemmelse med målene for grøn kemi. ReactIR og NMR understøtter ß-scissionsmekanismen for reaktionen.
Da omfanget af reaktionen var grundigt undersøgt, blev reaktionens mekanisme undersøgt via in-situ FTIR. Sporing af reaktionen viste, at dimethylcarbonat og 4'-methylacetophenon genereres i forholdet 1:1 fra 4'-chloracetophenon-udgangsmaterialet. Kvantitativ 13C NMR viste også, at dannelsen af produkterne var i forholdet 1:1. IR- og NMR-eksperimenterne blev anset for at være vejledende for den samlede ikke-nulte ordens kinetik. Dannelsen af støkiometriske mængder af dimethylcarbonatbiprodukt er i overensstemmelse med en ß-scissionsmekanisme.
Kariofillis, S. K., Shields, B. J., Tekle-Smith, M. A., Zacuto, M. J., & Doyle, A. G. (2020). Nikkel / fotoredox-katalyseret methylering af (hetero)arylchlorid ved hjælp af trimethylortoformiat som en methylradikalkilde. Journal of the American Chemical Society, 142(16), 7683–7689. https://doi.org/10.1021/jacs.0c02805
Realtidsanalyse er et grundlæggende princip i grøn kemi, der fremmer brugen af analytiske metoder til at identificere og spore forurenende stoffer i produktionsprocessen. Ved at indsamle data i realtid kan der træffes øjeblikkelige foranstaltninger for at undgå yderligere forurening og beskytte miljøet.
Realtidsanalyse bruger moderne sondebaseret teknologi, der kan placeres direkte i processtrømme for at muliggøre analytisk profilering af materialet under reaktionen. Nogle eksempler på realtidsanalyseteknologi omfatter: