白皮書：推進綠色化學
查看我們完整的綠色和可持續化學資源列表，包括案例研究和行業示例。本白皮書展示了梅特勒-托利多先進技術提供的即時數據如何支援製藥、化學和聚合物分子及產品的研究、開發和生產中的綠色和永續化學。
綠色化學的即時分析
線上製程分析，支援污染預防
綠色化學或永續化學是化學工業綠色和永續實踐的策略驅動力，旨在實現提高效率和減少浪費的雙重目標。
綠色化學的 12 項原則
綠色化學 的 12 項原則是由化學家在 1990 年代後期制定的，他們希望使化學過程更安全、更可持續。在實驗室中遵循這些準則可以幫助您最大限度地減少環境足跡。這些原則的一大優點是，它們可以在從小型實驗室到大型工業運營的任何地方實施。
防止浪費： 設計化學合成以防止浪費，因為預防比處理或清理更好。這是永續化學的基本原則。
最大化原子經濟： 最大限度地提高最終產品中加入的起始材料的比例。這通過確保很少或沒有原子被浪費來最大限度地減少浪費。
設計危害較小的化學合成： 使用和產生對人類或環境幾乎沒有毒性的物質。這降低了源頭風險。
設計更安全的化學品和產品： 開發完全有效並發揮其所需功能同時毒性最小的化學產品。
使用更安全的溶劑和反應條件： 避免使用溶劑等輔助物質，或使用更安全的替代品。在室溫和壓力下運行反應還可以提高能源效率。
提高能源效率： 最大限度地減少化學過程的能源需求，以減少對環境和經濟的影響。盡可能使用環境溫度和壓力。
使用可再生原料： 使用可再生而不是可消耗的原材料。農產品和廢物流通常是可再生原料的來源。
避免化學衍生物： 盡量減少使用臨時修改，例如阻止或保護組。這些步驟需要額外的試劑並產生不必要的浪費。
使用催化劑，而不是化學計量試劑： 使用少量選擇性且有效的催化試劑，因為它們優於化學計量試劑，後者使用過量並產生更多廢物。
設計化學品和產品在使用後降解： 創造化學產品，在其功能結束時分解成無害物質，防止它們在環境中持續存在。
即時分析，防止污染： 開發合成過程中即時監測和控制的分析方法，以防止危險副產物的形成。 製程分析技術 （PAT） 解決方案是這項原則的關鍵。
最大限度地減少發生事故的可能性： 選擇化學品及其物理形式，以盡量減少化學事故的風險，包括爆炸、火災和環境釋放。
“綠色化學是減少或消除有害物質使用或產生的化學產品和工藝的設計。綠色化學適用於化學產品的整個生命週期，包括其設計、製造、使用和最終處置。
Environmental Protection Agency (EPA)
污染預防的即時分析
開發高效、可持續且通常新穎的產品和流程需要深入的知識和精確的控制。在許多方面，實現綠色化學效率和減少浪費的雙重目標意味著進行更聰明的化學。存取詳細的時程資料和精細的參數控制需要正確的工具。
綠色化學品生產 最活躍的趨勢之一是品質源於設計 （QbD），QbD 的主要原則之一是要求透過線上即時 製程分析技術 （PAT） 建立廣泛的反應和製程理解。因此，QbD 是即時反應分析技術開發的驅動力。此外，透過應用 充分利用數據豐富的實驗（DRE）的建模和數據分析方法，可以從即時反應分析 提供的 綜合數據中收集到的資訊和過程理解得到極大的增強。
綠色化學的另一個趨勢是使用連續流動 方法快速 發展新合成（並轉換舊化學），這在生產力和可持續性方面具有多種優勢。 流動化學 最適合提供不間斷、連續測量的反應分析技術。包括在線 FTIR、 拉曼 、紫外可見 （UV/Vis）、NIR、NMR、HPLC 和 MS 在內的實時分析技術通常用於分析流動化學並確保流動系統的穩定性和性能。此外，實時分析還可以開發反應和過程的自我優化系統。
“可持續化學是一個科學概念，旨在提高利用自然資源的效率來滿足人類對化學產品和服務的需求。永續化學包括設計、製造和使用高效、有效、安全且更環保的化學產品和製程。」
OECD, 2022 (Organisation for Economic Co-operation and Development)
支援綠色化學原理的即時製程分析工具
過程分析技術 （PAT），例如 原位 FTIR 和 FBRM，一直是綠色化學研究的關鍵驅動力，使科學家和工程師能夠實時監測和控制反應和過程。獲得的豐富分析數據為反應動力學、物理轉變以及變量對性能的影響提供了寶貴的見解，使科學家和工程師能夠做出支持綠色化學原理的數據支持決策。
當然，如果沒有精確的控制，這一切都是不可能的。研究人員使用自動化合成工作站 來 準確控制和記錄反應器 周圍執行的所有主要任務（溫度、攪拌、計量和採樣），而無需任何人工幹預。在計算機中進行反應提供了實現永續發展目標的另一種方法，使科學家能夠使用人工智慧和統計數據篩選溶劑、確定最佳條件並測試新想法。
三十多年來，梅特勒-托利多開發了強大的 PAT 和反應分析工具，以支援綠色化學合成和穩健製程的研發和放大。 全天候自動監測、取樣和控制反應，並快速將實驗數據轉化為可操作資訊的能力徹底改變了科學探究。現在迫切需要利用我們現有的資源做更多事情並減少浪費，需要利用這些相同的工具來推動整個化學行業的綠色和可持續研究、開發和生產。
使用內聯 PAT 的綠色化學應用範例
食品和飲料：球形乙基香蘭素顆粒的無溶劑製備
挑戰：研究並開發一種更環保的乙基香蘭素球形顆粒形成和造粒工藝。
合成香料乙基香蘭素廣泛應用於各種消費品中，但與儲存和結塊相關的實際挑戰阻礙了其進一步的大規模應用。優先形成球形顆粒可以緩解這些問題，使下游加工更有效率，從而提高產品品質。然而，球形 結晶 的標準方法通常涉及危險且昂貴的有機溶劑。這項工作描述了一種塗油球形 團聚 技術的開發，該技術消除了對有機溶劑的需求，提供了更環保、更具成本效益的工藝。研究人員利用 工藝分析技術 研究了乙基香蘭素在水溶液中的出油現象。透過FTIR（ReactIR）監測 溶質濃度變化，以及透過EasyViewer 和 ParticleTrack G400 （基於FBRM的探針）監測 顆粒計數和形態，獲得的機理洞察力使得使用簡單的加熱和淬火過程在氯化鈉水溶液中優先形成球形顆粒。由此產生的乙基香蘭素球形產品具有優良的粉末性能、高流動性和高收率，使其不僅生產起來更環保，而且是更高品質的產品。
「針對目前乙基香蘭素香氣釋放速度過快、粉末性能差等問題，本工作系統地研究了乙基香蘭素在水溶液中的出油現象和球形顆粒的形成機制。借助過程分析技術（ATR-FTIR、 FBRM 和 EasyViewer），發現水中乙基香蘭素會隨著溫度變化而發生兩種類型的出油現象。此外，紅外光譜結果表明，乙基香蘭素在水中出現兩種出油現象的內在原因是溶劑化誘導的不同種類分子間氫鍵的切換......通過塗油球形團聚技術，在氯化鈉水溶液中成功製備了乙基香蘭素的球形顆粒。這種綠色技術消除了有害溶劑的使用，結合了結晶 和造粒兩種 單元操作，特別適合食品行業。
劉 Y.、王 S.、李 J.、郭 S.、閆 H.、李 K.、童 L.、高 Y.、李 T.、陳 M、高 Z. 和龔 J. （2023）。通過無溶劑工藝製備具有緩釋和抗結塊功能的乙基香蘭素球形顆粒。 食品化學，402,134518 https ：//doi.org/10.1016/j.foodchem.2022.134518
製藥：使用氧氣，一種綠色氧化劑試劑
挑戰：使用氧 氣（一種綠色、低成本的試劑）開發更有效、更安全的酮氧化反應。
使用氧氣作為氧化劑對環境很有吸引力，但由於溶劑蒸氣在反應器頂部空間中可能燃燒，批量進行時會帶來安全風險。蠶豆等。構思並開發了一種連續流動方法，用於合成抗腫瘤 API 中酮中間體的好氧氧化，AZD4635，有效降低了這種風險。醋酸銅催化劑在DMSO溶劑中促進酮氧化，並研究了反應器溫度、催化劑負荷量和氣體流速的影響。透過 ReactIR 獲得的數據提供了對溫度與轉換之間關係的關鍵見解，從而可以輕鬆優化反應溫度。實施優化的連續流程將整體 API 合成減少到三個步驟（而不是批量的五個步驟），從而產生更安全、更環保、更經濟的過程。
“改變濃度後，我們重新優化了反應溫度。為了獲得 即時分析資料，我們採用了梅 特勒-托利多ReactIR 15儀器，該儀器 配備了一個流通池，該流通池安裝在連續流裝置的出口處。為了減少電池中氧氣氣泡引起的背景噪音，在反應器出口和流通池之間引入了膜分離器。3 [酮] 和 4 [氧化產物] 的紅外光譜分別在 1689 cm-1 和 1675、1693 cm-1 處顯示不同的吸收帶。因此，可以實時監測相對轉化率，通過改變溫度，我們發現氧化在 120 °C 時轉化率極佳，而較低的溫度會導致轉化不完全。
法瓦，E.、卡爾森，S. 和瓊斯，醫學博士 （2022）。在連續過程中使用氧氣作為主要氧化劑：在開發有效AZD4635途徑中的應用。 有機工藝研究與開發， 26（4）， 1048–1053。https://doi.org/10.1021/acs.oprd.1c00279
化學品：氟化化合物的催化
挑戰：開發一種更永續的化學方法，使用銠和銥配合物作為催化劑合成氟化化合物。測量反應時間並確定芳基取代對氟化速率的影響。
製藥業對開發合成氟化化合物的清潔催化方法產生 了戰略興趣。2020 年，FDA 批准的所有小分子藥物中有 37% 至少含有一種氟部分，比 2011 年至 2020 年的 26% 顯著增加。然而，常見的現有合成方法往往需要使用高反應性的氟化試劑。研究人員評估了最近發現的有機金屬配合物對催化氟化的活性，並開發了一種有效的方案，使用 [（η5，κ2C-C5Me4CH2C6F5CH2NC3H2NMe）-RhCl] 催化一系列酰氯的氟化，作為氟化物供體。開發的方案在短短一小時內就產生了出色的產率 （94%），並能夠回收催化劑，進一步提高了合成的原子經濟性。 原位 FTIR （ReactIR） 測量驗證了底物向產物的清潔轉化，並提供了計算研究所需的豐富時間過程數據，從而提出了一種涉及形成新 Rh-F 鍵的機制。
摩根，PJ，桑德斯，GC，麥格雷戈，SA，馬爾，AC 和許可證，P. （2022）。由環金屬化銠配合物催化的親核氟化。 有機金屬學，41， 883−891。https://doi.org/10.1021/acs.organomet.2c00052
製藥：阿片類拮抗劑的電化學合成
挑戰：使用基於電化學的合成為阿片類拮抗劑分子開發更環保的合成路線。深入了解 N-CH3 基團氧化到極小值的機制。
對可以逆轉阿片類藥物過量的救生藥物的需求增加導致其價格大幅上漲。最近旨在通過更有效的合成途徑降低生產成本的研究集中在製備許多阿片類拮抗劑中最具挑戰性的步驟——14-羥基嗎啡聚醣前體的選擇性 N-去甲基化。在大規模上， N-去甲基化是用化學計量量的危險化學品（例如溴化氰或氯甲酸鹽）進行的。研究人員開發了一種基於叔胺雙電子陽極氧化的 N-去甲基化步驟的 無催化劑和試劑電化學方法，從而提供了一種更可持續且更便宜的方法。使用羥考酮在室溫下在未分裂的電池中電解作為模型進行初始反應條件篩選。使用石墨陽極和乙腈不銹鋼陰極，以 LiClO4 作為支撐電解質，實現了 29% 轉化為惡唑烷，具有非常好的選擇性。 原位 FTIR 提供了對亞胺離子的實時監測，從而提出了電化學噁唑烷化和去甲基化 O，N 的機制-幾種重要的阿片類藥物前體的酰基轉移。開發的方案已轉移到流動電解槽，從而實現放大。
“…還嘗試通過紅外光譜直接觀察亞胺離子，再次使用“陽離子池”方法。在這種情況下， 將 FTIR 探頭 浸入分離池的陽極室中。羥考酮衍生物 6-羥醇，酮基還原為醇，用作底物，以消除來自 IR 的羰基信號的干擾。令人欣慰的是，在電解下，在約 1657 cm-1 處出現了一個弱峰，這可歸因於中間體的 C═N 拉伸。觀察到的微弱信號支持了亞胺陽離子在 -45 °C 下不夠穩定的假設。
格洛茨，G.、卡佩，CO 和坎蒂略，D. （2020）。14-羥基嗎啡聚醣的電化學 N-去甲基化：可持續獲取阿片類拮抗劑。 有機快報，22（17）， 6891–6896。https://doi.org/10.1021/acs.orglett.0c02424
製藥：通過生物催化合成己酸鹽
挑戰：開發一種綠色、穩健且高效的工藝來合成對映體純己烯酸鹽。
對映體純 （3R）-3-羥基-5-己烯酸酯 （1） 是合成多種藥物化合物中重要的手性中間體。基於化學方法的合成策略 （1） 存在與生產力和永續性相關的重大缺點。 生物催化 提供了一種可持續的替代方案。由突變體KRED（即KRED-06）和 開菲 爾乳桿菌醇脫氫酶（LkADH）組成的雙酶系統與原位輔助因子回收相結合，提供了優異的產量和對映選擇性（1），但工業應用的實際問題仍然存在。
為了解決這些問題，研究人員開發了一種綠色 連續流工藝 ，通過捕獲將 KRED/LkADH 共固定到聚乙烯醇 （PVA） 載體中，並將其裝入具有在線微流體液液萃取和膜分離裝置的管狀反應器中來生產 （1）。對不同載體的測試表明，PVA 產生了最高的催化活性以及機械和物理穩定性。隨後的快速最佳化 利用了線上 FTIR 和 GC-MS 分析。 ReactIR 用於確定反應流離開流動反應器後達到穩態，並在流動反應器內形成理想的塞流，確認反應溶液在流經填充的 KRED/LkADH@PVA 時分佈良好。
“通過利用 在線 FTIR 監測 和 GC−MS 分析進行快速流動反應優化。與相應的批量反應相比，模型基板的連續流合成可以承受顯著的工藝強化......這項工作的結果不僅強調了 KRED/LkADH@PVA 的穩健性和實用性，而且還為高效生產對映體純 （3R）-羥基-5-己烯酸酯提供了一種更環保、更可持續 的連續流動工藝，這些工藝 可以輕鬆大規模實現。
胡 C.、黃 Z.、江 M.、陶 Y.、李 Z.、吳 X.、程 D. 和陳 F. （2021）。（3R）-3-羥基-5-己烯酸酯與共固定化酮還原酶和開菲爾乳桿菌脫氫酶的連續流不對稱合成：整合更環保的在線微流控液-液萃取器和膜分離器。 ACS 永續化學與工程，9（27）， 8990–9000。https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c01419
化學品：鎳/光氧化還原催化的（雜）芳基氯甲基化
挑戰： 為了消除用於有機鹵化物甲基化的惡劣反應條件和腐蝕性試劑，開發了一種新方法，使用原甲酸三甲酯作為鎳/光氧化還原催化中的甲基來源。
這種有機甲化物甲基化的新方法可以在相對溫和的條件下進行，無需腐蝕性或劇毒化學品，使用常見的有機試劑原甲酸三甲酯作為甲基的來源，並且符合綠色化學的目標。 ReactIR 和 NMR 支持反應的 ß-scission 機制。
徹底探索反應範圍後，通過原位 FTIR 研究反應機理。追蹤反應表明，碳酸二甲酯和 4'-甲基苯乙酮以 1：4 的比例從 4'-氯乙酮起始材料中生成。定量 13C 核磁共振也顯示產物的形成比例為 1：1。IR 和 NMR 實驗被認為表明了整體非零階動力學。碳酸二甲酯副產物化學計量量的形成與 ß 斷裂機制一致。
卡里奧菲利斯，SK，希爾茲，BJ，泰克爾-史密斯，MA，扎庫托，MJ，和多伊爾，AG （2020）。使用原甲酸三甲酯作為甲基自由基來源 的鎳/光氧化還原催化的（雜）芳基氯化物。美國化學會雜誌， 142（16）， 7683–7689。https://doi.org/10.1021/jacs.0c02805
即時分析和綠色化學的其他資源
常見問題
即時分析工具有哪些範例？
實時分析使用基於探針的現代技術，可以直接放入工藝流中，以便在反應過程中對材料進行分析分析。即時分析技術的一些範例包括：
- 原位 FTIR 和拉曼光譜通過 實時測量反應趨勢和曲線來監測反應進展，提供有關動力學、機制、途徑、多晶型轉變以及反應變量對工藝性能影響的高度具體信息
- 線上粒徑分析儀 可連續測量過程中自然存在的顆粒，顯著提高了即時理解、最佳化和控制顆粒和液滴系統的能力
- 自動反應採樣系統 可擷取具有代表性的樣品，例如 HPLC 或 NMR，以瞭解反應途徑、動力學、中間體和雜質譜
同行評審出版物中的綠色化學和可持續工程
- Olejniczak， A.、Stachowiak， W.、Rzemieniecki， T. 和 Niemczak， M. （2023）。將自然界中存在的最簡單的胺基酸甘胺酸的結構調整為更環保的苯氧丙酸除草劑離子形式。 國際分子科學雜誌， 24（2）， 1360。 https://doi.org/10.3390/ijms24021360
- 吳 M.、王 H.、毛 H.、王 C.、董 Z.、唐 T.、鄭 W.、金 L. 和劉 J. （2022）。太陽能驅動的芳香醛：Co（ii）/C3N4 組合催化劑在水介質中從扁桃酸衍生物中綠色生產。 RSC 進展， 12（9）， 5245–5254。 https://doi.org/10.1039/d1ra08256f
- Wysokowski， M.、Nowacki， K.、Jaworski， F.、Niemczak， M.、Bartczak， P.、Sandomierski， M.、Piasecki， A.、Galinski， M. 和 Jesionowski， T. （2022）。幾丁質-乙二醇水凝膠的離子液體輔助合成作為可持續電化學電容器的電解質膜。 科學報告， 12（1）。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-12931-w
- 安特努奇，A.、杜格拉，S. 和倫齊，P. （2021）。綠色化學與不對稱有機催化的結合：催化劑合成的批判性概述。 化學化學， 14（14）， 2785–2853。 https://doi.org/10.1002/cssc.202100573
- 麥克唐納，M.，薩拉米香腸，H.，哈里斯，PNA，拉格曼，CE，楊，X.，博馬里烏斯，AS，格羅弗，MA，和盧梭，R.（2021）。反應性結晶：綜述。 反應化學與工程， 6（3）， 364–400。 https://doi.org/10.1039/d0re00272k
- 朱 Y.、蔡 M.、阿迪卡里 BB、卡特里 V.、卡明斯基 H.、穆索內 PG 和布雷斯勒華盛頓特區 （2021）。評估生物廢棄物用於廢水處理：使用特定風險材料的絮凝劑對污泥進行脫水，以實現工業永續性。 ACS 永續化學與工程， 9（5），2037–2046。 https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.0c06841
- 陳 T.、金 H.、潘 S.、曾 P.、林 Y. 和蔣 P. （2020）。綠色化學原則在循環經濟體系中實施，以實現可持續發展目標：挑戰與展望。 整體環境科學， 716,136998。 https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.136998
- 格洛茨，G.、卡佩，CO 和坎蒂略，D. （2020）。14-羥基嗎啡聚醣的電化學 N-去甲基化：可持續獲取阿片類拮抗劑。 有機快報， 22（17）， 6891–6896。 https://doi.org/10.1021/acs.orglett.0c02424
- 卡里奧菲利斯，SK，希爾茲，BJ，泰克爾-史密斯，MA，扎庫托，MJ，和多伊爾，AG （2020）。使用原甲酸三甲酯作為甲基自由基來源 的鎳/光氧化還原催化的（雜）芳基氯化物。美國化學會雜誌， 142（16）， 7683–7689。 https://doi.org/10.1021/jacs.0c02805
- 羅傑斯，L.，和詹森，KF （2019）。連續製造-綠色化學的承諾？綠色化學，21（13）， 3481–3498。 https://doi.org/10.1039/C9GC00773C
- 軸索，S. 和詹姆斯，D. （2018）。聯合國可持續發展目標：可持續化學如何做出貢獻？化學工業的觀點。綠色與永續化學的當前觀點，13， 140–145。 https://doi.org/10.1016/j.cogsc.2018.04.010
- 法內利，F.、帕里西，G.、德根納羅，L. 和路易西，R. （2017）。微反應器技術和流動化學對綠色和可持續合成發展的貢獻。貝爾斯坦有機化學雜誌，13， 520–542。 https://doi.org/10.3762/bjoc.13.51
- 萊特納，W.，Quadrelli，EA 和施洛格爾，R. （2017）。用化學收穫再生能源。 綠色化學， 19（10）， 2307–2308。 https://doi.org/10.1039/c7gc90045g
- 宋，J.，和韓，B.（2014）。綠色化學：化學工業永續發展的工具。 國家科學評論， 2（3）， 255–256。 https://doi.org/10.1093/nsr/nwu076
- 綠色化學基礎 |美國環保署。（2024 年 2 月 26 日）。美國環保署。 https://www.epa.gov/greenchemistry/basics-green-chemistry
- Jiménez-González， C.、Ollech， C.、Pyrz， W.、Hughes， D.、Broxterman， Q. B. 和 Bhathela， N. （2013）。擴大邊界：開發用於藥品生態足跡的簡化工具。有機工藝研究與開發，17（2）， 239–246。 https://doi.org/10.1021/op3003079
- 艾爾克斯，I. 和勞赫，F. （2012）。化學教育中的可持續發展與綠色化學。 化學教育。研究與實踐， 13（2）， 57-58。 https://doi.org/10.1039/c2rp90003c
- 佐伊、費爾南德斯.「梅特勒-托利多——解決從研究到製造的關鍵產業挑戰。」 綠色加工與合成 1.4 （2012）：385-387。
- 雷伊，DS，拉姆肖，C. 和哈維，A. （2008）。 流程強化：效率、可持續性和靈活性的工程。 http://ci.nii.ac.jp/ncid/BA87026335
- 阿納斯塔斯，PT 和華納，JO （1998）。 綠色化學：理論與實踐。 http://ci.nii.ac.jp/ncid/BA39849008
- 阿納斯塔斯，PT 和法里斯，CA（編輯）。（1994）. 良性設計：用於污染預防的替代合成設計（第 577 卷）。美國化學會。 https://doi.org/10.1021/bk-1994-0577
- 綠色化學的 12 條原則 - 美國化學會。（nd）。美國化學會。 https://www.acs.org/greenchemistry/principles/12-principles-of-green-chemistry.html