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Groene chemie

Grüne Chemie, ebenfalls nachhaltige Chemie erwähnt, ist eine Grundidee, a Philosophie, in Bezug auf chemische Forschung und Verfahrenstechnik, die sich auf die Entwicklung von Produkten und Verfahren konzentriert, die den Einsatz und die Erzeugung schädlicher Verbindungen minimieren.[1] Während in der Umweltchemie die chemie der und in der natürlichen umwelt, einschließlich der darin enthaltenen substanzen (schadstoffe, die vom menschen eingebracht werden), steht im zentrum, grüne chemie versucht bewusst, Schadstoffe an der quelle zu reduzieren bzw. zu verhindern. Im 1990 wurde in der Vereinigte Staaten das Umweltverschmutzungsschutzgesetz angenommen. Nach diesem Gesetz ist in den USA u.a Arbeitsweise entwickelt, um auf innovative Weise mit Umweltverschmutzung umzugehen: sie bekämpfen, bevor sie entsteht.

Grundprinzipien

Erste Idee

Als Grundidee des chemischen Handelns gilt die Grüne Chemie für alle Bereiche der Chemie: organische Chemie, Anorganische Chemie, Biochemie, analytische Chemie und physikalische Chemie. Auch das Ausmaß der chemischen Wirkung ist nicht wichtig, die Prinzipien gelten für den industriellen Produktionsprozess, für Labors und für Bildungsinstitute und Schulen: Es geht um die Entscheidungen, die getroffen werden. klick chemie wird in diesem Zusammenhang oft als Synthesestil bezeichnet, der den Zielen der Grünen Chemie gerecht wird. Ziel ist es, die Gefahren zu minimieren und die Wirkung jeder Entscheidung in der Chemie zu maximieren.

Neben dem rein chemischen Ansatz wird auch erkannt, dass Biotechnik eine vielversprechende Methode, um die Ziele der grünen Chemie zu erreichen. Eine Reihe wichtiger Bulk-Chemikalien kann genetisch veränderte Organismen synthetisiert werden. Shikimate, einer der Vorläufer für Oseltamivir, wird in a Fermenter durch Roche mit Bakterien gemacht.

Es wird diskutiert, ob wirtschaftliche Aspekte (können) eine Rolle in der grünen Chemie spielen. Auf der anderen Seite, wenn die Prinzipien der grünen Chemie nicht umgesetzt werden, wird es auch sehr schwierig, neue gesetzliche Standards, die Reduzierung von Abfall und anderen schädlichen Bestandteilen, einzuhalten.

Ausarbeitung

Paul Anastas, arbeitete dann bei der EPA, und John C. Warner haben 12 Prinzipien für grüne Chemie formuliert, mit denen die Grundideen verdeutlicht und die Umsetzung in die Praxis erleichtert werden können.[2] Diese Grundsätze umfassen Bereiche wie:

  • die Prozessgestaltung ist so ausgelegt, dass möglichst viele Ausgangsstoffe im Endprodukt landen
  • die Verwendung sicherer, umweltfreundlicher Substanzen, einschließlich der Lösungsmittel
  • die Gestaltung energieeffizienter Prozesse
  • Der beste Weg, um Müll loszuwerden: überhaupt keinen Müll produzieren

Die 12 Prinzipien sind:

  1. Es ist besser, Müll zu vermeiden, als Müll später aufzuräumen.
  2. Synthesewege müssen so gestaltet werden, dass die maximale Menge aller Ausgangsstoffe in das Endprodukt eingearbeitet wird (d.h. die Anzahl der Nebenprodukte minimiert wird).
  3. Nach Möglichkeit sind Synthesewege zu konzipieren, bei denen nur Stoffe verwendet und hergestellt werden, die eine geringe oder keine (toxische oder mutagene) Gefahr für Mensch und Umwelt darstellen.
  4. Chemikalien müssen sowohl funktionell als auch wirksam, aber weitaus weniger gefährlich sein.
  5. Die Verwendung von Hilfsstoffen (wie z Lösungsmittel und Komplexbildner) sollte so weit wie möglich überflüssig gemacht werden. Wenn sie verwendet werden, sollten sie so wenig schädliche oder toxische Wirkungen wie möglich haben.
  6. Der Energiebedarf des Prozesses muss als Ganzes betrachtet und hinsichtlich seiner wirtschaftlichen Auswirkungen, vor allem aber seiner Auswirkungen auf die Umwelt, bewertet werden. In jedem Fall sollte dieser Einfluss so gering wie möglich sein. Synthesen werden möglichst bei Umgebungstemperatur und Normaldruck durchgeführt.
  7. Das Ausgangsmaterial muss, soweit technisch und wirtschaftlich möglich, nachwachsend sein.
  8. Reduzieren Sie die Anzahl der Reaktionsschritte, verwenden Sie keine unnötigen Zwischenschritte (z. Schutz- und Wiederherstellungsfunktionalität).
  9. Katalytische Mengen von möglichst selektiven Reagenzien sind besser als stöchiometrische Reagenzien.
  10. Chemische Produkte sollten so gestaltet sein, dass sie am Ende ihrer Nutzungsdauer nicht in der Umwelt verbleiben, sondern in unschädliche Rückstände oder in Ausgangsstoffe zersetzt werden können.
  11. analytische Methoden müssen weiterentwickelt werden, damit chemische Prozesse vor Ort, während des Prozesses selbst überwacht und gesteuert werden kann, um die Bildung gefährlicher Verbindungen zu verhindern.
  12. Stoffe und die Form der Verwendung des Stoffes sind so zu wählen, dass die Unfallgefahr während der Reaktion (Austritt von Gase, Explosion, Feuer, Strahlung) ist so klein wie möglich.

Derzeit wird versucht, nicht nur die Grünheit eines chemischen Prozesses zu benennen, sondern auch Faktoren wie Ausbeute, die Kosten der Reaktanden, die Sicherheit beim Umgang mit Stoffen, die technischen Einrichtungen, den Energieverbrauch sowie die einfache und effiziente Isolierung und Reinigung des Reaktionsprodukts. In dem Versuch, eine numerische Grundlage für solche Fragen zu finden, die Ermäßigung von Nitrobenzol bis um Anilin erhielt 64 Punkte (von 100), was es zu einem akzeptabel grüne chemische Reaktion.[3] Andererseits ist die Synthese von a Amid mit Natrium (bis(trimethylsilyl)amid) nur mit 32 ausgestattet, was wäre wenn Urteil mittelmäßig ergibt.

Grüne Chemie wird auch bei der Entwicklung des Nanotechnologie zunehmend als wichtiger Teil des Forschungsprozesses angesehen, um die Auswirkungen dieser Technologie auf die Umwelt abzubilden.[4] Während der Entwicklung von Nanomaterialien die Auswirkungen auf Umwelt und Gesundheit sowohl der Produkte selbst als auch der dafür notwendigen Produktionsverfahren sollten bewertet werden, um eine nachhaltige Entwicklung nicht langfristig zu behindern.

Gesetzgebung

Im 2007 wurde in Europa Das REACH-Programm ist in Kraft, das Unternehmen verpflichtet, Daten vorzulegen, die die Sicherheit ihrer Produkte belegen.[5]

Neben der bereits erwähnten Bundesgesetzgebung in den USA, dem Pollution Prevention Act von 1990, gibt es in den verschiedenen US-Bundesstaaten auch Gesetze zur Grünen Chemie. Im Kalifornien waren 29. September2008 verabschiedete Gesetze, die die California Green Chemistry Initiative ins Leben riefen.[6] Die Gesetze machen die Prüfung unterschiedlicher Stoffe zur expliziten Aufgabe der Abteilung für Giftstoffkontrolle.[7]

Obstruktive Gesetzgebung

Manchmal geht die Gesetzgebung auch nach hinten los. M. Wilson und M. Schwarzman haben den Bericht veröffentlicht Grüne Chemie in Kalifornien.[8] Der Bericht macht deutlich, dass (in den Vereinigten Staaten) ein wichtiges Gesetz zum chemischen Risikomanagement (das Giftstoffkontrollgesetz oder TSCA) aus 1976 hat in den USA zu einem Markt für Chemikalien geführt, in dem die rechtlich akzeptablen Risiken von Stoffen mit Funktion, Preis und Wirksamkeit zusammenhängen. Der Bericht kommt zu dem Schluss, dass die Existenz dieser Handelsströme ein Haupthindernis für den Erfolg der grünen Chemie in den Vereinigten Staaten ist.

Neue Entwicklungen

Im 2005 waren von Ryoji Noyori Drei wichtige Entwicklungen innerhalb der Grünen Chemie wurden aufgeführt:

Als Beispiele für Anwendungen der grünen Chemie sind die überkritische Wasseroxidation und Trockensubstanzreaktionen heißen.

Preise für grüne Chemie

Um auf die Ideen der Grünen Chemie aufmerksam zu machen, wurden von verschiedenen Organisationen Preise ins Leben gerufen. Einen solchen Preis zu verleihen bedeutet, einmal mehr auf die Möglichkeiten der Grünen Chemie zu achten.

  • Vereinigte Staaten: das Presidential Green Chemistry Challenge Awards gestartet in 1995 als erster Versuch, Einzelpersonen und Unternehmen als Innovatoren im Bereich der grünen Chemie anzuerkennen.[10] Grundsätzlich werden jedes Jahr 5 Preise in ebenso vielen Kategorien vergeben: Wissenschaftliche Forschung (akademisch), Kleine und mittelständische Unternehmen (Kleinunternehmen), grüne Synthese (Grünere Synthesewege), grüne Reaktionsbedingungen (Umweltfreundlichere Reaktionsbedingungen) und grüne Chemikalien (Entwicklung umweltfreundlicherer Chemikalien). Nominierungen für den Preis können bereits im Vorjahr eingereicht werden, ein Ausschuss der Amerikanische Chemische Gesellschaft vergibt die Preise.
  • Australien: es Royal Australian Chemical Institute (RACI), vergibt Auszeichnungen für grüne Chemie in Australien. Die vergebenen Preise sind vergleichbar mit denen der American United Staatliche Umweltschutzbehörde, obwohl es in Australien auch Auszeichnungen für grüne Chemie im Bildungswesen gibt.
  • Kanada: das Kanadische Medaille für grüne Chemie ist ein jährlicher Preis, der an Einzelpersonen oder Gruppen verliehen wird, die einen herausragenden Beitrag zur Entwicklung der grünen Chemie in Kanada oder international geleistet haben.[11]
  • Italien: In Italien konzentriert sich die grüne Chemie um ein interuniversitäres Konsortium namens INCA. Von 1999 die INCA hat jährlich drei Preise an Unternehmen im Zusammenhang mit der Anwendung grüner Chemie verliehen. Die Gewinner erhalten beim jährlichen INCA-Meeting eine Plakette.[12]
  • Japan: seit 1999 ist es Netzwerk für grüne und nachhaltige Chemie (GSCN) in Japan, einer Organisation, in der Forschung und Industrie vertreten sind. Von 2001 die Organisation hat mit der Vergabe von Preisen begonnen. Diese werden an Einzelpersonen, Gruppen oder Unternehmen verliehen, die durch Forschung, Entwicklung und technische Anwendung einen wesentlichen Beitrag zu den Idealen der Grünen Chemie geleistet haben. Die Preise werden vom Minister verliehen.[13]
  • Vereinigtes Königreich: im Vereinigten Königreich die Crystal Faraday-Partnerschaft gegründet 2001 als Non-Profit-Organisation. Von 2004 Für die Umsetzung der Grünen Chemie wird jährlich ein Firmenpreis verliehen, der Auszeichnungen für grüne chemische Technologie. Bis dahin wurde der Preis von der Königliche Gesellschaft für Chemie. Der Preis wird nur an einzelne Forscher oder Unternehmen vergeben.[14]

Über die Nobelpreis auch seine Bemühungen auf dem Gebiet der grünen Chemie wurden gewürdigt. Im 2005 empfangen Yves Chauvin, Robert H. Grubbs und Richard R. Schrock das Nobelpreis für Chemie für die Entwicklung der Metathese-Methode in der organischen Synthese. Die Nobelpreiskommission stellt fest:

Dies ist ein großer Fortschritt für die grüne Chemie, da die Menge potenziell schädlicher Abfälle durch einen intelligenteren Produktionsprozess reduziert wird. Metathese zeigt, wie wichtig chemisches Grundwissen für das Wohl von Mensch, Gesellschaft und Umwelt eingesetzt wird.[15]

Beispiele für Innovationen im Zusammenhang mit grüner Chemie

Ersatz von FCKW durch Kohlendioxid in Polystyrol

Im 1996 wurden die Presidential Green Chemistry Challenge Awards für den Einsatz von 100% Kohlendioxid in der Produktion von Polystyrolschaum ausgezeichnet für Dow Chemical. Polystyrolschaum (oder Polystyrolschaum) ist ein weit verbreitetes Material mit etwa 400 Millionen Kilogramm jährlich (allein in den Vereinigten Staaten). Bisher wurden die Gasblasen im Schaum durch Zugabe FCKW und andere die ozonschädigend Stoffe. Entzündlich, explosiv und teilweise auch giftig Kohlenwasserstoffe als Ersatz für die FCKW vorgeschlagen worden sind, führen aber auch jeweils zu eigenen Problemen. Dow Chemical entdeckte, dass überkritisches Kohlendioxid ebenso in der Lage ist, die Gasbläschen im Schaum zu erzeugen, ohne dabei die Gefahren der anderen Stoffe aufgeben zu müssen. Die Verwendung von CO2 Das bedeutet auch, dass Polystyrol leichter recycelt werden kann. Das eingesetzte Kohlendioxid ist ein Abfallprodukt anderer Prozesse und trägt bei Polystyrolschaum nicht zur Kohlendioxid-Emission bei.

Ersatz des Rohstoffs für Polymilchsäure durch eine nachhaltige Quelle

Strukturformel von Lactid, das zyklischer Diester von Milchsäure.

Im Jahr 2002 gingen die Presidential Green Chemistry Challenge Awards an NatureWorks (damals Cargill Dow) für die Verbesserung des Herstellungsprozesses für Polymilchsäure.[16] Die notwendige Milchsäure erhält man von der Fermentation von Mais und dann umgewandelt in Lactid, das cyclische Dimer der Milchsäure in einer effizienten Zinn-katalysiert Antwort. Es L,L-Lactid-Enantiomer wird gereinigt über Destillation und polymerisiert in der Schmelze zu a kristallisierbarPolymer das findet Anwendung in der Textilindustrie und als Verpackung für Lebensmittel. Die gefeierte Syntheseroute ersetzt die petrochemischen Rohstoffe durch austauschbare Rohstoffe, verwendet keine gefährlichen Chemikalien während der Produktion und liefert ein hochwertiges Polymer, das Kompostierung ist vollständig recycelbar.

Grünere Produkte

Traditionell werden die Rückseiten alter Teppichfliesen aus Bitumen, PVC oder Polyurethan (PU). Obwohl diese Materialien praktisch vollkommen ausreichend sind, haben sie auch eine Reihe von Nachteilen: teils in Bezug auf ihre Rohstoffe, teils in Bezug auf die Recyclingfähigkeit. Die Wahl für ein Harz basierend auf einer Kombination von Polyene (auch Polyolefine genannt), die sich durch gute Haftung und geringe Laufneigung auszeichnen, tragen aufgrund der geringen Toxizität ihrer Rohstoffe und der guten Recyclingfähigkeit des Materials zur grünen Chemie bei. Neben der einfachen Wiederverwendbarkeit eines Stoffes ist es auch wichtig, dass die Standardkombinationen, in denen der Stoff verwendet wird, leicht voneinander getrennt werden können. Teppichfliesen haben eine Deckschicht aus Nylon-6. Polyolefinharz lässt sich im Gegensatz zu PVC leicht davon trennen. Der Prozess gilt als gutes Beispiel für Wiege an WiegeGestaltung berücksichtigt. Im EcoWorx Teppichfliese von Shaw Industries Dieses Prinzip wurde kommerziell entwickelt. Im 2003 Dafür erhielt Shaw Industries die Presidential Green Chemistry Challenge Awards.

Härtendes Fett ohne Transfettsäuren

In dem Nahrungsmittelindustrie ist der Bedarf an weniger ungesättigte Fette größer als das Angebot, während das Angebot an mehrfach ungesättigten Fetten größer ist. Klassisch wird dies technisch gelöst über härten. Dabei ist es unvermeidlich, dass ein Teil des Fetts in Wordt word umgewandelt wird Transfette, das chemisch stabiler ist, aber biologisch schwer (wörtlich) zu verdauen. Die Entwicklung von a enzymatisch Austausch zwischen Ölen (mit ungesättigten Fettsäuren) und Fetten (mit gesättigte Fettsäuren) führte zu einem wirtschaftlichen Produktionsprozess für trans-fettfreie Produkte. Neben der Produktion gesünderer Rohstoffe für beispielsweise die MargarineIndustrie leistete es auch einen direkten Beitrag zur Umwelt durch:

  • eine Reduzierung des Einsatzes von giftigen Chemikalien und Wasser
  • eine große Menge an Nebenprodukten wird vermieden
  • eine Reduzierung der Menge an verschwendetem Öl und Fett

Die Presidential Green Chemistry Challenge Awards für diese Innovation sind in 2005 an die Unternehmen vergeben Bogenschütze Daniels Midland und Novozymes.[17] Ein interessantes Detail hierbei ist, dass die Untersuchung dieses Antrags als Reaktion auf die angekündigte Verpflichtung zur möglichen Anwesenheit von eingeleitet wurde trans- Fette in Lebensmitteln auf dem Etikett.

1,2-Propandiol aus Glycerin

Im 2006 Galen J. Suppes, Professor an der Universität von Missouri, die Presidential Green Chemistry Challenge Awards für die Konvertierung Glycerinabfall von dem Biodieselproduktion im 1,2-Propandiol. Durch eine Katalysator auf der Grundlage von Kupferchromit Suppes konnte die Reaktionstemperatur senken und gleichzeitig die Effizienz des Destillationsprozesses steigern. Das auf diese Weise hergestellte Propylenglykol ist billig genug, um es viel giftiger zu machen Ethylenglykol als Grundzutat für Frostschutzmittel.

Abendessen Reaktion

Trockensubstanzchemie

Über die Supramolekulare Chemie sind untersuchte Reaktionen, die in feste Stoffe, also ohne Lösungsmittel. Das Cycloaddition zwischen zwei E-1,2-Bis(4-pyridyl)ethylenmoleküle wird kontrolliert von Resorcin. Dieses Festkörperreaktion geht unter dem Einfluss von UV-Licht jetzt sofort Ausbeute von 100 %.[18]

Cycloaddition von trans-1,2-Bis(4-pyridyl)ethylen

Bildung

In dem Bildung Grüne Chemie findet auf verschiedenen Wegen ihren Weg. Auf der formalen Seite kann das erste offizielle Training der Welt sein PhD-Stufe zum Universität von Massachusetts in Boston gelistet.[19]

Weniger formell sind Beiträge im Internet, wie im Jahr 2005 von der Fakultät Chemie der Universität von Oregon die eine Datenbank zur grünen Chemie online gestellt haben.[20][21]

Auch in der Verlagswelt zeichnet sich ab, dass ein Kurswechsel in der Chemieausbildung bevorsteht: 2009 Oxford University Press das Buch Grüne Chemie-Ausbildung: Wechsel in den Chemie-Studiengang.[22]

Standardchemikalien im Labor

Einige der Chemikalien, die in a . Standard sind Labor Lagerbestände, weil sie von Labortechnikern genutzt werden, sind umstritten und die Suche nach Alternativen intensiv. Es Massachusetts Institute of Technology hat eine Website gestartet, um diese Suche zu rationalisieren.[23] Zu den berüchtigten Standardchemikalien gehören Ethidiumbromid, Xylol, Merkur und formalin. Für diese Stoffe stehen Alternativen zur Verfügung.[24]

Organometallische Chemie

Basierend auf den Prinzipien der Grünen Chemie, ionische Flüssigkeiten und Mikroreaktoren schon seit 2009 zur Synthese und Reinigung von hochreaktiven und hochreinen metallorganische Verbindungen vor dem ALD- und CVDAnwendungen. Sowohl die Sicherheit des Produktionsprozesses als auch seine Effizienz konnten deutlich verbessert werden.[25][26]

Wissenschaftlicher Status

Mitte der 1990er Jahre entstand die sogenannte grüne Chemie. Seitdem wird auch ihr wissenschaftlicher Status in Frage gestellt. Einerseits wird argumentiert, dass diese Art, Chemie zu betreiben, eine innovative Richtung im chemischen Denken darstellt. Skeptiker argumentieren hingegen, dass es sich bei dem Begriff lediglich um ein PR-Label handele. Diese Skeptiker liegen sicherlich nicht falsch, wie aus Linthorsts Artikel in Foundations of Chemistry hervorgeht. Grund: Der Begriff Grüne Chemie wird regelmäßig ohne Bezug zu den Prinzipien der Grünen Chemie verwendet, wie sie von Anastas und Warner formuliert wurden.[27]