V naravi lahko najdemo veliko število spojin, ki imajo aldehidno oz. ketonsko funkcionalno skupino, pogosto pa imajo še dodatne funkcionalne skupine. Ker je izolacija farmacevtsko oz. prehrambno pomembnih molekul iz naravnih virov predraga ali pa so viri omejeni, se kemiki poslužujejo sintez teh molekul. Takšne sinteze v večjem merilu večinoma potekajo v veliko korakih in za seboj puščajo odpadni material, ki je lahko bodisi okolju neprijazno topilo bodisi nezaželeni stereoizomeri, npr. če reakcija ni selektivna in poleg želenega enantiomera dobimo še neželeni enantiomer, ki nima farmacevtske uporabnosti in je lahko tudi toksičen za ljudi. Z upoštevanjem načel zelene kemije lahko določene sinteze optimiziramo in celo izboljšamo in tako pričnemo opuščati zastarele konvencionalne, okolju neprijazne načine. [3]
Pri zeleni kemiji stremimo k izboljšanju sintez kemijskih produktov, ki bi zmanjšale ali povsem odstranile nastanek nevarnih toksičnih substanc, ne samo na molekulskem, temveč tudi na makro nivoju. Optimizacija se prične že pri načrtovanju sinteze in konča, ko v poštev vzamemo življenjski cikel produkta, reagentov, topil in procesov ter njihov morebitni negativni učinek na zdravje človeka in okolja. [3]
Načela zelene kemije lahko razdelimo na 12 principov, in sicer:
1. Preprečevati nastanek odpadkov
Načrtovanje kemijskih sintez, ki preprečujejo nastanek odpadnih snovi.
2. Maksimirati atomsko ekonomijo
Načrtovanje sintez, kjer skušamo doseči čim višjo pretvorbo reaktantov v produkte.
3. Načrtovati čim manj škodljivo kemijsko sintezo
Načrtovanje sinteze, ki bi generirala substance s čim manj oz. nič toksičnosti tako za človeka kot okolje.
Blaž Užmah Pretvorbe karbonilnih spojin pod zelenimi pogoji
5
4. Načrtovati bolj varne kemikalije in produkte Načrtovanje zelo učinkovitih in netoksičnih produktov.
5. Uporabljati bolj varna topila in reakcijske pogoje
Če za reakcijo potrebujemo topila, uporabljamo bolj varna in okolju prijazna topila in se poskušamo izogibati uporabi pomožnih kemikalij.
6. Povečati energetsko učinkovitost
Reakcije naj potekajo na sobni temperaturi in pri zunanjem tlaku.
7. Uporabiti obnovljive surovine
Uporabiti reaktante, ki niso fosilnega izvora ampak po možnosti iz obnovljivih virov.
8. Izogibati se kemijskim derivatom
Izogibati se zaščitnim skupinam, saj te porabljajo dodatne reagente in ustvarjajo dodatne odpadne snovi.
9. Uporabljati katalizatorje
Uporaba katalitske količine katalizatorja namesto uporabe stehiometričnih reagentov.
10. Načrtovati razgradljive kemikalije in produkte
Po končani reakciji se razgradijo v neškodljive substance, da se ne kopičijo v okolju.
11. Z analizo v realnem času preprečiti onesnaževanje
Opazovanje reakcije v realnem času in optimiziranje parametrov reakcije tako, da zmanjšamo nastanek stranskih produktov.
12. Minimalizirati možnost nesreče
Načrtovanje kemikalij in njihovih fizikalnih lastnosti (trdnina, tekočina ali plin) na takšen način, da se zmanjša možnost eksplozije, požarov in izpustov v naravo. [3]
Koristnost za uvedbo 1. principa ponazarja tovarna, ki je v prejšnjem stoletju na letni ravni proizvedla okoli 100 ton fluoroglucinola. Sinteza je temeljila na oksidaciji 2,4,6-trinitrotoluena (TNT) s kalijevim dikromatom, sledila je redukcija s klorovodikovo kislino in železom kot katalizatorjem ter segrevanje raztopine do končnega produkta.
Po končani reakciji so poleg 1 kg produkta pridelali še 40 kg trdnih odpadkov. Slednji pustijo slab okoljski odtis, zato se je uvedel E(nvironmental) oz. okoljski faktor, kjer večja vrednost faktorja predstavlja več odpadnega materiala in posledično pušča večji negativni učinek na naravo (tabela 1). Idealna vrednost E je 0. [4]
Blaž Užmah Pretvorbe karbonilnih spojin pod zelenimi pogoji
6
Tabela 1: E faktorji v kemijski industriji
S skrbno načrtovano sintezo lahko maksimiramo atomsko ekonomijo (2. princip), ki temelji na pionirski reakciji izkoriščanja sinteznih plinov. Maksimirano atomsko ekonomijo dosežemo pri reakciji sinteze etilen glikola, kjer izkoristimo tudi 100%
sinteznih plinov napram reakciji sinteze etilena, kjer poleg izkoriščenih 44% sinteznih plinov nastaja še odpadni produkt voda (shema 6). [4]
Shema 6: Primerjava atomskega izkoriščanja sinteznih plinov
Peti princip narekuje zmanjšanje uporabe nevarnih topil in pomožnih kemikalij.
Optimalna rešitev bi bila izvajanje reakcij brez topil, vendar v praksi to večinoma ni mogoče. Pogosto zadovoljivo rešitev predstavlja voda kot topilo, saj ni toksična ali vnetljiva in je relativno dostopna ter poceni. Prav tako v dvofaznih reakcijskih sistemih omogoča preprosto fazno separacijo za obnovitev in recikliranje katalizatorja, če se ta zadržuje v vodni fazi, produkt pa v organski fazi. [4]
Atomski ekonomiji lahko pripomoremo tudi z uporabo katalizatorjev (9. princip), ker jih lahko v katalitskih količinah večkrat uporabimo za isto reakcijo namesto da izvajamo reakcijo stehiometrijsko, ki zreagira direktno v produkt (shema 7). [4]
Shema 7: Primerjava atomskega izkoristka pri sintezi propilen oksida
Jasno je, da je s pričetkom kapitalizma in globalizacije postala kemija ena izmed najpomembnejših industrijskih panog. Številna podjetja dajejo prednost dobičku in ne zmanjšajo negativnega učinka na človeka in okolje, zato je nujno, da se postavijo temelji, oz. prej omenjeni principi zelene kemije, ki jim poskuša slediti že nekaj desetletij tako industrija kot znanstveniki in navsezadnje posamezniki. Z upoštevanjem načel zelene kemije pripomoremo ljudem, naravi in ekonomiji. Ljudje dobimo čistejši zrak, vodo in potrošne dobrine, kot so hrana in zdravila, povečano
Ton na leto* E faktor Sinteza kemikalij na debelo 104-106 <1-5 Sinteza kemikalij na drobno 102-104 5->50 Farmacevtska industrija 10-103 25->100
*letna sinteza produktov globalno ali na določeni lokaciji
Blaž Užmah Pretvorbe karbonilnih spojin pod zelenimi pogoji
7
varnost delavcev v kemijski industriji in manjšo izpostavljenost kemikalijam, posledično pa smo bolj zdravi. V naravo zavržemo manj kemikalij, rastline in živali so manj izpostavljene toksičnim kemikalijam, manjša je možnost za globalno segrevanje in zmanjšujejo se deponije z odpadnimi materiali. Ekonomično pridobimo, ker imajo reakcije večje izkoristke, manj sinteznih korakov in uporabijo manj kemikalij ter povečamo konkurenčnost podjetij. [3]