Zelena kemija ali trajnostna kemija je strateško prizadevanje za zelene in trajnostne prakse v kemični industriji, katerega cilj je doseči dvojni cilj večje učinkovitosti in zmanjšanja odpadkov.
Oglejte si naš celoten seznam zelenih in trajnostnih kemijskih virov, vključno s študijami primerov in primeri industrije. Ta bela knjiga prikazuje, kako podatki v realnem času, ki jih zagotavlja napredna tehnologija podjetja METTLER TOLEDO, podpirajo zeleno in trajnostno kemijo pri raziskavah, razvoju in proizvodnji farmacevtskih, kemičnih in polimernih molekul in izdelkov.
12 načel zelene kemije so v poznih 1990-ih razvili kemiki, ki so želeli narediti kemične procese varnejše in bolj trajnostne. Upoštevanje teh smernic v laboratoriju vam lahko pomaga zmanjšati okoljski odtis. Odlična stvar pri teh načelih je, da jih je mogoče izvajati kjerkoli, od majhnih laboratorijev do velikih industrijskih operacij.
Preprečite odpadke: Oblikujte kemične sinteze za preprečevanje odpadkov, saj je bolje preprečiti kot obdelati ali očistiti. To je temeljno načelo trajnostne kemije.
Povečajte gospodarstvo atomov: Povečajte delež vhodnih materialov, ki so vključeni v končni izdelek. To zmanjšuje odpadke, saj zagotavlja malo ali nič atomov.
Oblikujte manj nevarne kemične sinteze: Uporabljajte in ustvarjajte snovi z malo ali nič strupenosti za ljudi ali okolje. To zmanjšuje tveganje pri viru.
Oblikovanje varnejših kemikalij in izdelkov: Razviti kemične izdelke, ki so popolnoma učinkoviti in opravljajo želeno funkcijo, hkrati pa imajo minimalno toksičnost.
Uporabite varnejša topila in reakcijske pogoje: Izogibajte se uporabi pomožnih snovi, kot so topila, ali uporabite varnejše alternative. Tekoče reakcije pri sobni temperaturi in tlaku prav tako povečajo energetsko učinkovitost.
Povečajte energetsko učinkovitost: Zmanjšajte energetske zahteve kemičnih procesov, da zmanjšate vpliv na okolje in gospodarstvo. Kadar je mogoče, uporabite temperaturo in tlak okolice.
Uporabite obnovljive surovine: Uporabite surovine, ki so obnovljive in ne izčrpavajoče. Kmetijski proizvodi in tokovi odpadkov so pogosto viri obnovljivih surovin.
Izogibajte se kemičnim derivatom: Zmanjšajte uporabo začasnih sprememb, kot je blokiranje ali zaščita skupin. Ti koraki zahtevajo dodatne reagente in ustvarjajo nepotrebne odpadke.
Uporabite katalizatorje, ne stehiometričnih reagentov: Uporabite katalitične reagente, ki so selektivni in učinkoviti v majhnih količinah, saj so boljši od stehiometričnih reagentov, ki se uporabljajo v presežku in proizvajajo več odpadkov.
Oblikujte kemikalije in izdelke, ki se po uporabi razgradijo: Ustvarite kemične izdelke, ki se na koncu svoje funkcije razgradijo v neškodljive snovi in jim preprečujejo, da bi ostali v okolju.
Analizirajte v realnem času, da preprečite onesnaževanje: Razviti analitične metodologije za spremljanje in nadzor v realnem času med sintezami, da se prepreči nastanek nevarnih stranskih proizvodov. Rešitve procesne analitične tehnologije (PAT) so ključnega pomena za to načelo.
Zmanjšajte možnost nesreč: Izberite kemikalije in njihove fizikalne oblike, da zmanjšate tveganje za kemične nesreče, vključno z eksplozijami, požari in izpusti iz okolja.
"Zelena kemija je oblikovanje kemičnih izdelkov in procesov, ki zmanjšujejo ali odpravljajo uporabo ali nastajanje nevarnih snovi. Zelena kemija velja v celotnem življenjskem ciklu kemičnega izdelka, vključno z njegovo zasnovo, izdelavo, uporabo in končno odstranjevanjem.
Environmental Protection Agency (EPA)
Razvoj učinkovitih, trajnostnih in pogosto novih izdelkov in procesov zahteva poglobljeno znanje in natančen nadzor. V mnogih pogledih doseganje dvojnega cilja zelene kemije učinkovitosti in zmanjšanja odpadkov pomeni izvajanje pametnejše kemije. Dostop do podrobnih podatkov o časovnem poteku in natančno krmiljenje parametrov zahteva prava orodja.
Eden najbolj aktivnih trendov v zeleni kemični proizvodnji je kakovost po zasnovi (QbD), eno glavnih načel QbD pa je zahteva po izgradnji ekspanzivnega razumevanja reakcij in procesov s spletno tehnologijo procesne analitike v realnem času (PAT). Tako je QbD gonilna sila za razvoj tehnologije analize reakcij v realnem času. Poleg tega je razumevanje informacij in procesov, ki jih je mogoče zbrati iz celovitih podatkov, ki jih zagotavlja analiza reakcij v realnem času, močno izboljšano z uporabo metod modeliranja in analitike podatkov, ki v celoti izkoriščajo eksperimente, bogate s podatki (DRE).
Drug trend v zeleni kemiji je hitro razvijajoči se razvoj novih sintez (in pretvorba starejše kemije) z uporabo metod neprekinjenega toka , ki ponujajo številne prednosti v smislu produktivnosti in trajnosti. Kemija pretoka je najboljša s tehnologijo analize reakcij, ki zagotavlja neprekinjene, neprekinjene meritve. Tehnologija analize v realnem času, vključno s spletnim FTIR,Raman, ultravijolično vidnim (UV/Vis), NIR, NMR, HPLC in MS, se rutinsko uporablja za analizo kemije pretoka in za zagotavljanje stabilnosti in učinkovitosti sistemov pretoka. Analiza v realnem času omogoča tudi razvoj samooptimizacijskih sistemov za reakcije in procese.
"Trajnostna kemija je znanstveni koncept, ki si prizadeva izboljšati učinkovitost, s katero se naravni viri uporabljajo za zadovoljevanje človeških potreb po kemičnih izdelkih in storitvah. Trajnostna kemija zajema oblikovanje, proizvodnjo in uporabo učinkovitih, uspešnih, varnih in okolju prijaznejših kemičnih izdelkov in procesov.
OECD, 2022 (Organisation for Economic Co-operation and Development)
Procesna analitična tehnologija (PAT), kot sta FTIR in FBRMna kraju samem, je ključno gonilo za raziskave zelene kemije, kar znanstvenikom in inženirjem omogoča spremljanje in nadzor reakcij in procesov v realnem času. Pridobljeni bogati analitični podatki zagotavljajo dragocen vpogled v kinetiko reakcij, fizikalne transformacije in vpliv spremenljivk na zmogljivost, kar znanstvenikom in inženirjem omogoča sprejemanje odločitev, podprtih s podatki, ki podpirajo načela zelene kemije.
Seveda nič od tega ni mogoče brez natančnega nadzora. Raziskovalci so uporabili avtomatizirane delovne postaje za sintezo za natančen nadzor in beleženje vseh glavnih nalog, ki se izvajajo okoli reaktorja (temperatura, mešanje, odmerjanje in vzorčenje) brez kakršnega koli ročnega posredovanja. Izvajanje reakcij in silico ponuja še en način za doseganje trajnostnih ciljev, saj znanstvenikom omogoča pregled topil, določanje optimalnih pogojev in preizkušanje novih idej z uporabo umetne inteligence in statistike.
METTLER TOLEDO že več kot tri desetletja razvija zmogljiva orodja za analizo PAT in reakcij za podporo raziskavam in razvoju ter širjenju zelenih kemičnih sintez in robustnih procesov. Sposobnost samodejnega spremljanja, vzorčenja in nadzora reakcij v realnem času neprekinjeno ter hitrega spreminjanja eksperimentalnih podatkov v uporabne informacije je revolucionirala znanstveno raziskovanje. Nujna potreba po večji uporabi naših obstoječih virov in zmanjšanju odpadkov zdaj zahteva uporabo teh istih orodij za spodbujanje zelenih in trajnostnih raziskav, razvoja in proizvodnje v kemični industriji.
Razumevanje kinetike reakcije, polimorfnih prehodov in mehanizmov v realnem času za optimizacijo procesnih spremenljivk.
Razumevanje kinetike, mehanizmov in poti reakcij v realnem času za optimizacijo reakcijskih spremenljivk.
Zajemite slike delcev visoke ločljivosti na kraju samem, da dobite poglobljeno razumevanje procesov za kompleksne sisteme.
Vstavi se neposredno v laboratorijske reaktorje za spremljanje spreminjajoče se velikosti delcev in štetja v realnem času pri polnih procesnih koncentracijah.
Povečajte produktivnost v svojem laboratoriju z reaktorji za zeleno sintezo z vgrajenimi orodji za avtomatizacijo.
Avtomatizirana in nenadzorovana rešitev za vzorčenje, ki zagotavlja visokokakovostne vzorce podnevi in ponoči za standardno analizo brez povezave, kot je HPLC.
Ocenite kinetične parametre, in silico modeliranje, razvijte optimalne reakcijske pogoje.
Enoten pristop podpira aplikacije med laboratoriji za spektroskopijo, karakterizacijo sistema delcev, natančen nadzor reaktorja in kalorimetrijo.
Izziv: Raziskati in razviti bolj zelen proces za tvorbo sferičnih delcev in granulacijo etil vanilina.
Sintetični okus etil vanilin se pogosto uporablja v različnih potrošniških izdelkih, vendar praktični izzivi, povezani s skladiščenjem in strjevanjem, ovirajo njegovo nadaljnjo uporabo v velikem obsegu. Prednostno oblikovanje sferičnih delcev lahko ublaži te težave, zaradi česar je nadaljnja obdelava učinkovitejša in ima za posledico izboljšano kakovost izdelkov. Vendar pa standardne metode za sferično kristalizacijo pogosto vključujejo nevarna in draga organska topila. To delo opisuje razvoj tehnologije sferične aglomeracije za oljevanje , ki odpravlja potrebo po organskih topilih, kar zagotavlja bolj zelen in stroškovno učinkovitejši postopek. Raziskovalci so uporabili procesne analitične tehnologije za raziskovanje pojava olja etil vanilina v vodni raztopini. Mehanistični vpogled, pridobljen s spremljanjem spreminjajoče se koncentracije raztopine prek FTIR (ReactIR), pa tudi števila delcev in morfologije prek EasyViewer in ParticleTrack G400 (sonda na osnovi FBRM), je omogočil prednostno tvorbo sferičnih delcev v vodni raztopini natrijevega klorida z uporabo enostavnega postopka segrevanja in gašenja. Nastali sferični izdelek etil vanilina ima odlične lastnosti prahu, visoko pretočnost in visok donos, zaradi česar ni le okolju prijaznejši za proizvodnjo, temveč tudi kakovostnejši izdelek.
"Glede na trenutne probleme prehitre hitrosti sproščanja arome in slabih lastnosti etil vanilina v prahu, to delo sistematično raziskuje pojav oljjenja in mehanizem nastajanja sferičnih delcev etil vanilina v vodni raztopini. S pomočjo procesnih analitičnih tehnologij (ATR-FTIR, FBRM in EasyViewer) je bilo ugotovljeno, da se s temperaturnimi spremembami pojavljata dve vrsti pojava oljenja etil vanilina v vodi. Poleg tega so rezultati IR spektrov pokazali, da je notranji razlog za pojav dveh pojavov oljenja etil vanilina v vodi preklapljanje različnih vrst medmolekularnih vodikovih vezi, ki jih povzroča solvatacija ... Sferični delci etil vanilina se uspešno pripravijo v vodni raztopini natrijevega klorida s tehnologijo oljenja sferične aglomeracije. Ta zelena tehnologija odpravlja uporabo nevarnih topil in združuje dve enoti kristalizacije in granulacije, kar je še posebej primerno za živilsko industrijo."
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). Priprava sferičnih delcev etil-vanilina s funkcijo podaljšanega sproščanja in preprečevanja strjevanja s postopkom brez organskih topil. Kemija hrane, 402, 134518. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2022.134518
Izziv: Razviti učinkovitejšo in varnejšo reakcijo oksidacije ketonov z uporabo kisika - zelenega, poceni reagenta.
Uporaba kisika kot oksidanta je okolju privlačna, vendar predstavlja varnostno tveganje, če se izvaja v serijah zaradi potencialnega zgorevanja hlapov topil v glavnem prostoru reaktorja. Fava et. al. konceptualiziral in razvil pristop neprekinjenega toka za aerobno oksidacijo ketonskega vmesnega produkta v sintezi protitumorskega API, AZD4635, ki učinkovito zmanjšuje to tveganje. Oksidacijo ketona je spodbujal katalizator bakrovega acetata v topilu DMSO, raziskali pa so tudi učinek temperature reaktorja, obremenitve katalizatorja in pretoka plina. Podatki, pridobljeni s pomočjo ReactIR , so zagotovili ključni vpogled v razmerje med temperaturo in pretvorbo, kar je omogočilo enostavno optimizacijo reakcijske temperature. Izvajanje optimiziranega neprekinjenega toka je zmanjšalo celotno sintezo API na tri korake (v primerjavi s petimi v seriji), kar je prineslo varnejši, bolj zelen in bolj ekonomičen proces.
"Ko smo spremenili koncentracijo, smo ponovno optimizirali reakcijsko temperaturo. Za pridobivanje analitičnih podatkov v realnem času smo uporabili instrument Mettler Toledo ReactIR 15, opremljen s pretočno celico, ki je bila vgrajena na izhodu iz nastavitve neprekinjenega pretoka. Da bi zmanjšali hrup v ozadju zaradi kisikovih mehurčkov v celici, je bil med izhodom reaktorja in pretočno celico uveden membranski separator. IR spektri za 3 [keton] in 4 [oksidirani produkt] so pokazali različne absorpcijske pasove pri 1689 cm−1 in 1675, 1693 cm−1. Relativno pretvorbo je bilo zato mogoče spremljati v realnem času in s spreminjanjem temperature smo ugotovili, da je oksidacija potekala z odlično pretvorbo pri 120 °C, medtem ko so nižje temperature povzročile nepopolno pretvorbo.
Fava, E., Karlsson, S., & Jones, M. D. (2022). Uporaba kisika kot primarnega oksidanta v neprekinjenem procesu: Uporaba za razvoj učinkovite poti do AZD4635. Raziskave in razvoj organskih procesov, 26(4), 1048–1053. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.1c00279
Izziv: Razviti bolj trajnostno kemijsko metodo za sintezo fluoriranih spojin z uporabo rodijevih in iridijevih kompleksov kot katalizatorjev. Izmerite reakcijske čase in določite učinke arilne substitucije na hitrost fluoriranja.
Farmacevtska industrija je povečala strateško zanimanje za razvoj čistih katalitičnih metodologij za sintezo fluoriranih spojin. Leta 2020 je 37% vseh farmacevtskih izdelkov z majhnimi molekulami, ki jih je odobrila FDA, vsebovalo vsaj en fluorov del - izrazito povečanje s 26% med letoma 2011 in 2020. Vendar pa običajne obstoječe sintetične metode pogosto zahtevajo uporabo visoko reaktivnih fluoriranih reagentov. Raziskovalci so ocenili aktivnost nedavno odkritih organokovinskih kompleksov proti katalitski fluoraciji in razvili učinkovit protokol za uporabo [(η5,κ2C-C5Me4CH2C6F5CH2NC3H2NMe)-RhCl] za kataliziranje fluoriranja vrste acil kloridov kot donorja fluorida. Razviti protokol je povzročil odličen donos (94%) v nekaj eni uri in omogočil obnovitev katalizatorja, kar je še povečalo atomsko ekonomijo sinteze. Meritve FTIR (ReactIR) na kraju samem so preverile čisto pretvorbo substratov v izdelke in zagotovile bogate podatke o časovnem poteku, potrebne za računalniško raziskavo, ki je privedla do predlaganega mehanizma, ki vključuje nastanek nove vezi Rh-F.
Morgan, PJ, Saunders, GC, Macgregor, SA, Marr, AC & in licenca, P. (2022). Nukleofilno fluoriranje, ki ga katalizira ciklometalirani rodijev kompleks. Organokovine, 41, 883−891. https://doi.org/10.1021/acs.organomet.2c00052
Izziv: Razviti bolj zeleno sintetično pot za molekulo opioidnega antagonista z uporabo sinteze na osnovi elektrokemikalij. Pridobite vpogled v mehanizem oksidacije skupineN-CH3 v iminij.
Povečano povpraševanje po življenjsko pomembnih zdravilih, ki lahko obrnejo preveliko odmerjanje opioidnih zdravil, je privedlo do znatnega povišanja njihove cene. Nedavne raziskave, namenjene zmanjšanju proizvodnih stroškov z učinkovitejšimi sintetičnimi potmi, so se osredotočile na najzahtevnejše korake pri pripravi številnih opioidnih antagonistov - selektivno N-demetilacijo 14-hidroksimorfinskega predhodnika. V velikem obsegu se N-demetilacija izvaja s stehiometričnimi količinami nevarnih kemikalij, kot so cianogen bromid ali kloroformati. Raziskovalci so razvili elektrokemično metodo brez katalizatorjev in reagentov za korak N-demetilacije, ki temelji na dvoelektronski anodni oksidaciji terciarnega amina, s čimer zagotavljajo veliko bolj trajnosten in poceni pristop. Izveden je bil presejalni test začetnih reakcijskih pogojev z elektrolizo oksikodona v nerazdeljeni celici pri sobni temperaturi kot model. Z uporabo grafitne anode in katode iz nerjavečega jekla v acetonitrilu z LiClO4 kot podpornim elektrolitom je bila dosežena 29% pretvorba v oksazolidin z zelo dobro selektivnostjo. FTIR na kraju samem je omogočal spremljanje iminijevega iona v realnem času, kar je privedlo do predlaganega mehanizma za elektrokemično oksazolidinacijo in demetilativni O, N-acil prenos več pomembnih opioidnih predhodnikov. Razviti protokol je bil prenesen v celico za pretočno elektrolizo, kar omogoča povečanje.
“… Poskušali so tudi neposredno opazovanje iminijevega iona z infrardečo spektroskopijo, spet z uporabo metodologije "kationskega bazena". V tem primeru je bila sonda FTIR potopljena v anodno komoro razdeljene celice. Oksikodonski derivat 6-oksiodol, s ketonsko skupino, reducirano na alkohol, je bil uporabljen kot substrat za odpravo motenj karbonilnega signala iz IR. Razveseljivo je, da se je pri elektrolizi pojavil šibek vrh na približno 1657 cm–1 , ki bi ga lahko pripisali C-N odseku vmesnega izdelka. Šibek signal, ki so ga opazili, je podprl hipotezo, da iminijev kation ni dovolj stabilen pri -45 °C.
Glotz, G., Kappe, C. O., & Cantillo, D. (2020). Elektrokemična N-demetilacija 14-hidroksi morfinanov: trajnostni dostop do antagonistov opioidov. Organska pisma, 22(17), 6891–6896. https://doi.org/10.1021/acs.orglett.0c02424
Izziv: Razviti zelen, robusten in visoko učinkovit postopek za sintezo enantiomerno čistih heksenoatov.
Enantiomerno čisti (3R)-3-hidroksil-5-heksenoati (1) so pomembni kiralni vmesni produkti pri sintezi različnih farmacevtskih spojin. Sintetične strategije za dostop (1), ki temeljijo na kemijskih metodah, imajo pomembne pomanjkljivosti, povezane s produktivnostjo in trajnostjo. Biokataliza ponuja trajnostno alternativo. Dvojencimski sistem, sestavljen iz mutanta KRED (tj. KRED-06) in Lactobacillus kefir alkohol dehidrogenaze (LkADH), skupaj z recikliranjem kofaktorjev in situ, zagotavlja odličen donos in enantioselektivnost (1), vendar praktična vprašanja za industrijsko uporabo ostajajo.
Za reševanje teh vprašanj so raziskovalci razvili zeleni postopek neprekinjenega pretoka za proizvodnjo (1) s soimobilizacijo KRED / LkADH v nosilec polivinskega alkohola (PVA) s pomočjo ujetja in nalaganja v cevni reaktor z inline mikrofluidno ekstrakcijo tekočine-tekočine in membranskimi ločevalnimi enotami. Testiranje različnih nosilcev je pokazalo, da je PVA prinesel najvišjo katalitično aktivnost ter mehansko in fizikalno stabilnost. Nadaljnja hitra optimizacija je uporabila inline FTIR in GC-MS analizo. ReactIR je bil uporabljen za ugotovitev, da je bilo stabilno stanje doseženo, ko je reakcijski tok izstopil iz pretočnega reaktorja in da je bil v pretočnem reaktorju oblikovan idealen pretok čepa, kar potrjuje, da je bila reakcijska raztopina dobro porazdeljena, medtem ko je tekla skozi pakirani KRED/LkADH@PVA.
"Hitra optimizacija odziva pretoka je bila izvedena z uporabo inline FTIR monitoringa in GC−MS analize. Sinteza neprekinjenega toka z modelnim substratom lahko privošči izrazito intenziviranje procesa v primerjavi z ustrezno šaržno reakcijo. Rezultati tega dela ne poudarjajo le robustnosti in uporabnosti KRED / LkADH@PVA, temveč zagotavljajo tudi bolj zelen in trajnosten proces neprekinjenega pretoka za visoko učinkovito proizvodnjo enantiomerno čistih (3R)-hidroksil-5-heksenoatov, ki jih je mogoče zlahka uresničiti v velikem obsegu.
Hu, C., Huang, Z., Jiang, M., Tao, Y., Li, Z., Wu, X., Cheng, D., & Chen, F. (2021). Asimetrična sinteza (3R)-3-hidroksil-5-heksenoatov s ko-imobilizirano ketoreduktazo in Lactobacillus kefir dehidrogenazo, ki integrira bolj zelene inline mikrofluidne ekstraktorje tekočina-tekočina in membranske separatorje. ACS Trajnostna kemija in inženiring, 9(27), 8990–9000. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c01419
Izziv: Da bi odpravili težke reakcijske pogoje in agresivne reagente, ki se uporabljajo za metilacijo organohalidov, je bil razvit nov pristop, ki uporablja trimetil ortoformat kot vir metila v katalizi niklja / fotoredoksa.
Ta nov pristop k metilaciji organohalidov se lahko izvede v razmeroma blagih pogojih, brez agresivnih ali zelo strupenih kemikalij, z uporabo skupnega organskega reagenta trimetil ortoformata kot vira metilne skupine in je skladen s cilji zelene kemije. ReactIR in NMR podpirata ß-razcepni mehanizem za reakcijo.
Ko je bil obseg reakcije temeljito raziskan, je bil mehanizem reakcije raziskan s pomočjo FTIR na kraju samem. Sledenje reakciji je pokazalo, da dimetil karbonat in 4'-metilacetofenon nastajata v razmerju 1: 1 iz izhodne snovi 4'-kloroacetofenona. Kvantitativni 13C NMR je pokazal tudi, da je tvorba produktov v razmerju 1: 1. Eksperimenti IR in NMR so bili indikativni za splošno kinetiko ne-ničtega reda. Nastajanje stehiometričnih količin stranskega produkta dimetil karbonata je skladno z ß-razcepnim mehanizmom.
Kariofillis, SK, Shields, BJ, Tekle-Smith, MA, Zacuto, MJ in Doyle, AG (2020). Nikelj / fotoredoks katalizirana metilacija (hetero) aril kloridov z uporabo trimetil ortoformata kot vira metil radikala. Revija Ameriškega kemijskega društva, 142(16), 7683–7689. https://doi.org/10.1021/jacs.0c02805
Analiza v realnem času uporablja sodobno tehnologijo, ki temelji na sondi, ki jo je mogoče namestiti neposredno v procesne tokove, da se omogoči analitično profiliranje materiala med reakcijo. Nekateri primeri tehnologije analize v realnem času vključujejo: