Grön kemi, eller hållbar kemi, är den strategiska drivkraften mot gröna och hållbara metoder inom den kemiska industrin som syftar till att uppnå ett dubbelt mål om större effektivitet och minskat avfall.
Se vår fullständiga lista över resurser för grön och hållbar kemi, inklusive fallstudier och branschexempel. Detta white paper visar hur realtidsdata som tillhandahålls av avancerad teknik från METTLER TOLEDO stöder grön och hållbar kemi inom forskning, utveckling och produktion av farmaceutiska, kemiska och polymera molekyler och produkter.
De 12 principerna för grön kemi utvecklades i slutet av 1990-talet av kemister som ville göra kemiska processer säkrare och mer hållbara. Att följa dessa riktlinjer i ditt labb kan hjälpa dig att minimera ditt miljöavtryck. En bra sak med dessa principer är att de kan implementeras var som helst från små laboratorier till stora industriella verksamheter.
Förebygg slöseri: Utforma kemiska synteser för att förebygga avfall, eftersom det är bättre att förebygga än att behandla eller städa upp. Detta är en grundläggande princip för hållbar kemi.
Maximera Atom-ekonomin: Maximera andelen utgångsmaterial som ingår i slutprodukten. Detta minimerar avfallet genom att se till att få eller inga atomer går till spillo.
Konstruera mindre farliga kemiska synteser: Använda och generera ämnen med liten eller ingen toxicitet för människor eller miljö. Detta minskar risken vid källan.
Designa säkrare kemikalier och produkter: Utveckla kemiska produkter som är fullt effektiva och fyller sin önskade funktion samtidigt som de har minimal toxicitet.
Använd säkrare lösningsmedel och reaktionsförhållanden: Undvik att använda hjälpämnen som lösningsmedel eller använd säkrare alternativ. Körreaktioner vid rumstemperatur och tryck ökar också energieffektiviteten.
Öka energieffektiviteten: Minimera energibehovet i kemiska processer för att minska både miljömässig och ekonomisk påverkan. Använd omgivningstemperatur och tryck när det är möjligt.
Använd förnybara råvaror: Använd råvaror som är förnybara snarare än utarmningsbara. Jordbruksprodukter och avfallsflöden är ofta källor till förnybara råvaror.
Undvik kemiska derivat: Minimera användningen av tillfälliga ändringar som att blockera eller skydda grupper. Dessa steg kräver ytterligare reagenser och genererar onödigt avfall.
Använd katalysatorer, inte stökiometriska reagens: Använd katalytiska reagenser som är selektiva och effektiva i små mängder, eftersom de är överlägsna stökiometriska reagenser, som används i överskott och producerar mer avfall.
Designa kemikalier och produkter för att brytas ned efter användning: Skapa kemiska produkter som bryts ner till ofarliga ämnen i slutet av sin funktion, vilket förhindrar att de finns kvar i miljön.
Analysera i realtid för att förhindra föroreningar: Utveckla analytiska metoder för övervakning och kontroll i realtid under synteser för att förhindra bildning av farliga biprodukter. Lösningar för processanalytisk teknik (PAT) är nyckeln till denna princip.
Minimera risken för olyckor: Välj kemikalier och deras fysikaliska former för att minimera risken för kemiska olyckor, inklusive explosioner, bränder och miljöutsläpp.
"Grön kemi är utformningen av kemiska produkter och processer som minskar eller eliminerar användningen eller genereringen av farliga ämnen. Grön kemi gäller under hela livscykeln för en kemisk produkt, inklusive dess design, tillverkning, användning och slutliga bortskaffande."
Environmental Protection Agency (EPA)
Att utveckla effektiva, hållbara och ofta nya produkter och processer kräver djupgående kunskap och exakt kontroll. Att uppnå den gröna kemins dubbla mål om effektivitet och minskat avfall innebär på många sätt att uppnå smartare kemi. Tillgång till detaljerade tidsförloppsdata och fin parameterkontroll kräver rätt verktyg.
En av de mest aktiva trenderna inom grön kemisk produktion är Quality by Design (QbD), och en av de viktigaste grundsatserna i QbD är kravet på att bygga expansiv reaktions- och processförståelse genom online-processanalytisk teknik i realtid (PAT). Således är QbD en drivkraft för utveckling av teknik för reaktionsanalys i realtid. Dessutom förbättras den informations- och processförståelse som kan erhållas från de omfattande data som tillhandahålls av reaktionsanalys i realtid avsevärt genom tillämpning av modellerings- och dataanalysmetoder som fullt ut utnyttjar datarika experiment (DRE).
En annan trend inom grön kemi är den snabbt utvecklande utvecklingen av nya synteser (och omvandling av äldre kemi) med hjälp av kontinuerliga flödesmetoder , som erbjuder flera fördelar när det gäller produktivitet och hållbarhet. Flödeskemi är bäst betjänt av reaktionsanalysteknik som ger oavbrutna, kontinuerliga mätningar. Realtidsanalysteknik inklusive online FTIR, Raman, ultraviolett synlig (UV/Vis), NIR, NMR, HPLC och MS används alla rutinmässigt för att analysera flödeskemi och för att säkerställa stabiliteten och prestandan hos flödessystem. Realtidsanalys gör det också möjligt att utveckla självoptimeringssystem för reaktioner och processer.
"Hållbar kemi är ett vetenskapligt begrepp som syftar till att förbättra effektiviteten med vilken naturresurser används för att tillgodose människors behov av kemiska produkter och tjänster. Hållbar kemi omfattar design, tillverkning och användning av effektiva, effektiva, säkra och mer miljövänliga kemiska produkter och processer."
OECD, 2022 (Organisation for Economic Co-operation and Development)
Processanalytisk teknik (PAT), såsom in-situ FTIR och FBRM, har varit en viktig drivkraft för forskning inom grön kemi, vilket gör det möjligt för forskare och ingenjörer att övervaka och kontrollera reaktioner och processer i realtid. De rika analytiska data som erhålls ger värdefull insikt i reaktionskinetik, fysiska omvandlingar och effekten av variabler på prestanda, vilket gör det möjligt för forskare och ingenjörer att fatta datastödda beslut som stöder principer för grön kemi.
Naturligtvis är inget av detta möjligt utan exakt kontroll. Forskare har använt automatiserade syntesarbetsstationer för att noggrant kontrollera och registrera alla viktiga uppgifter som utförs runt en reaktor (temperatur, omrörning, dosering och provtagning) utan någon manuell inblandning. Att genomföra reaktioner in silico erbjuder ytterligare ett sätt att nå hållbarhetsmålen, vilket gör det möjligt för forskare att screena lösningsmedel, bestämma optimala förhållanden och testa nya idéer med hjälp av artificiell intelligens och statistik.
I över tre decennier har METTLER TOLEDO utvecklat kraftfulla PAT- och reaktionsanalysverktyg för att stödja FoU och uppskalning av gröna kemiska synteser och robusta processer. Förmågan att automatiskt övervaka, ta prover och kontrollera reaktioner i realtid dygnet runt och snabbt omvandla experimentella data till användbar information har revolutionerat den vetenskapliga forskningen. Det akuta behovet av att göra mer med våra befintliga resurser och minska avfallet kräver nu att vi utnyttjar samma verktyg för att driva grön och hållbar forskning, utveckling och produktion inom hela den kemiska industrin.
Realtidsförståelse av reaktionskinetik, polymorfa övergångar och mekanismer för att optimera processvariabler.
Realtidsförståelse av reaktionskinetik, mekanismer och väg för att optimera reaktionsvariabler.
Ta högupplösta bilder av partiklar på plats för att få djup processförståelse för komplexa system.
Sätts in direkt i laboratoriereaktorer för att spåra föränderlig partikelstorlek och räkna i realtid vid fulla processkoncentrationer.
Öka produktiviteten i ditt labb med gröna syntesreaktorer med inbyggda automatiseringsverktyg.
Automatiserad och obevakad provtagningslösning som levererar högkvalitativa prover dag och natt för standardanalys offline, såsom HPLC.
Uppskatta kinetiska parametrar, i silico-modellering, utveckla optimala reaktionsbetingelser.
Ett enhetligt tillvägagångssätt stöder laboratorie-till-anläggning-tillämpningar för spektroskopi, karakterisering av partikelsystem, exakt reaktorkontroll och kalorimetri.
Utmaning: Undersöka och utveckla en grönare process för sfärisk partikelbildning och granulering av etylvanillin.
Den syntetiska smaken etylvanillin används i stor utsträckning i en mängd olika konsumentprodukter, men praktiska utmaningar relaterade till lagring och kakning hindrar dess ytterligare storskaliga tillämpning. Företrädesvis kan bildandet av sfäriska partiklar mildra dessa problem, vilket gör nedströmsbearbetningen mer effektiv och resulterar i förbättrad produktkvalitet. Standardmetoder för sfärisk kristallisation involverar dock ofta farliga och dyra organiska lösningsmedel. Detta arbete beskriver utvecklingen av en oljningsteknik för sfärisk agglomerering som eliminerar behovet av organiska lösningsmedel, vilket ger en grönare och mer kostnadseffektiv process. Forskare använde processanalytisk teknik för att undersöka uroljningsfenomenet etylvanillin i vattenlösning. Mekanistisk insikt från övervakning av förändrad koncentration av lösta ämnen via FTIR (ReactIR), samt partikelantal och morfologi via EasyViewer och ParticleTrack G400 (FBRM-baserad sond) möjliggjorde preferensbildning av sfäriska partiklar i en vattenlösning av natriumklorid med hjälp av en enkel uppvärmnings- och släckningsprocess. Den resulterande sfäriska produkten av etylvanillin har utmärkta pulveregenskaper, hög flytbarhet och högt utbyte, vilket gör den inte bara mer miljövänlig att producera, utan också en produkt av högre kvalitet.
"Med tanke på de nuvarande problemen med för snabb aromfrisättningshastighet och dåliga pulveregenskaper hos etylvanillin, undersöker detta arbete systematiskt oljningsfenomenet och bildningsmekanismen för sfäriska partiklar av etylvanillin i en vattenlösning. Med hjälp av processanalytiska tekniker (ATR-FTIR, FBRM och EasyViewer) har två typer av oljningsfenomen av etylvanillin i vatten visat sig uppstå vid temperaturförändringar. Vidare visade resultaten av IR-spektra att den inneboende orsaken till uppkomsten av två oljningsfenomen av etylvanillin i vatten är växlingen av olika typer av intermolekylära vätebindningar inducerade genom solvatisering ... Sfäriska partiklar av etylvanillin framställs framgångsrikt i den vattenhaltiga lösningen av natriumklorid genom oljning av sfärisk agglomerationsteknik. Denna gröna teknik eliminerar användningen av farliga lösningsmedel och kombinerar de två enhetsoperationerna kristallisation och granulering, vilket är särskilt lämpligt för livsmedelsindustrin."
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). Beredning av sfäriska etylvanillinpartiklar med funktioner för fördröjd frisättning och klumpförebyggande genom en organisk lösningsmedelsfri process. Livsmedelskemi, 402, 134518. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2022.134518
Utmaning: Utveckla en effektivare och säkrare ketonoxidationsreaktion med hjälp av syre – ett grönt, billigt reagens.
Att använda syre som oxidationsmedel är miljömässigt attraktivt, men innebär säkerhetsrisker när det utförs i batch på grund av den potentiella förbränningen av lösningsmedelsångor i reaktorhuvudet. Fava et. al. konceptualiserade och utvecklade en kontinuerlig flödesmetod för aerob oxidation av en ketonintermediär i syntesen av antitumör-API, AZD4635, vilket effektivt minskar denna risk. Ketonoxidation främjades av en kopparacetatkatalysator i DMSO-lösningsmedel, och effekten av reaktortemperatur, katalysatorbelastning och gasflödeshastighet undersöktes. Data som erhölls via ReactIR gav viktig insikt i förhållandet mellan temperatur och omvandling, vilket möjliggjorde enkel optimering av reaktionstemperaturen. Implementeringen av det optimerade kontinuerliga flödet minskade den totala API-syntesen till tre steg (i motsats till fem i batch), vilket gav en säkrare, grönare och mer ekonomisk process.
– Efter att ha ändrat koncentrationen optimerade vi om reaktionstemperaturen. För att få analysdata i realtid implementerade vi ett Mettler Toledo ReactIR 15-instrument utrustat med en flödescell som var inbyggd vid utloppet av den kontinuerliga flödesinställningen. För att minska bakgrundsljudet på grund av syrebubblor i cellen infördes en membranseparator mellan reaktorns utlopp och flödescellen. IR-spektra för 3 [keton] och 4 [oxiderad produkt] visade olika absorptionsband vid 1689 cm−1 respektive 1675, 1693 cm−1. Den relativa omvandlingen kunde därför övervakas i realtid, och genom att variera temperaturen fann vi att oxidationen fortskred med utmärkt omvandling vid 120 °C, medan lägre temperaturer ledde till ofullständig omvandling.
Fava, E., Karlsson, S., & Jones, M. D. (2022). Att använda syre som den primära oxidanten i en kontinuerlig process: Tillämpning på utvecklingen av en effektiv väg till AZD4635. Organisk processforskning och utveckling, 26(4), 1048–1053. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.1c00279
Utmaning: Utveckla en mer hållbar kemisk metod för att syntetisera fluorerade föreningar med hjälp av rodium- och iridiumkomplex som katalysatorer. Mät reaktionstider och bestäm effekterna av arylsubstitution på fluoreringshastigheter.
Läkemedelsindustrin har ökat det strategiska intresset för att utveckla rena katalytiska metoder för att syntetisera fluorerade föreningar. År 2020 innehöll 37 procent av alla småmolekylära läkemedel som godkänts av FDA minst en fluordel – en markant ökning från 26 procent mellan 2011 och 2020. Vanliga befintliga syntetiska metoder kräver dock ofta användning av mycket reaktiva fluorerade reagenser. Forskare bedömde aktiviteten hos nyligen upptäckta organometalliska komplex mot katalytisk fluorering och utvecklade ett effektivt protokoll för att använda [(η5,κ2C-C5Me4CH2C6F5CH2NC3H2NMe)-RhCl] för att katalysera fluorering av en rad acylklorider, som fluorgivare. Det utvecklade protokollet resulterade i utmärkt utbyte (94%) på så lite som en timme och möjliggjorde återvinning av katalysatorn, vilket ytterligare ökade atomekonomin i syntesen. In-situ FTIR-mätningar (ReactIR) verifierade den rena omvandlingen av substrat till produkter, samt gav de rika tidsförloppsdata som krävs för beräkningsundersökningar som leder till en föreslagen mekanism som involverar bildandet av en ny Rh-F-bindning.
Morgan, P.J., Saunders, G.C., Macgregor, S.A., Marr, A.C. & och Licence, P. (2022). Nukleofil fluorering katalyserad av ett cyklometallerat rodiumkomplex. Organometallics, 41, 883−891. https://doi.org/10.1021/acs.organomet.2c00052
Utmaning: Utveckla en grönare syntetisk väg för en opioidantagonistmolekyl med hjälp av en elektrokemiskt baserad syntes. Få insikt i mekanismen för oxidation av en N-CH3-grupp till ett iminium.
Ökad efterfrågan på livräddande läkemedel som kan häva en överdos av opioidläkemedel har lett till en betydande ökning av priset. Ny forskning som syftar till att minska produktionskostnaderna via effektivare syntetiska vägar har fokuserat på de mest utmanande stegen i framställningen av många opioidantagonister – den selektiva N-demetyleringen av en 14-hydroximorfinanprekursor. I stor skala utförs N-demetylering med stökiometriska mängder av farliga kemikalier som cyanogenbromid eller kloroformiat. Forskare utvecklade en katalysator- och reagensfri elektrokemisk metod för N-demetyleringssteget baserad på tvåelektronanodisk oxidation av tertiär amin, vilket ger ett mycket mer hållbart och billigt tillvägagångssätt. Initial screening av reaktionsbetingelser med elektrolys av oxikodon i en odelad cell vid rumstemperatur som modell genomfördes. Genom att använda en grafitanod och en katod av rostfritt stål i acetonitril med LiClO4 som stödelektrolyt uppnåddes 29% omvandling till oxazolidin med mycket god selektivitet. In-situ FTIR tillhandahöll realtidsövervakning av iminiumjonen, vilket ledde till en föreslagen mekanism för elektrokemisk oxazolidinering och demetylativ O,N-acylöverföring av flera viktiga opioidprekursorer. Det utvecklade protokollet har överförts till en flödeselektrolyscell, vilket möjliggör uppskalning.
“… Direkt observation av iminiumjonen med infraröd spektroskopi gjordes också, återigen med hjälp av "katjonpool"-metoden. I det här fallet sänktes en FTIR-sond ner i den anodiska kammaren i den delade cellen. Oxikodonderivatet 6-oxyodol, med ketongruppen reducerad till en alkohol, användes som substrat för att eliminera interferens av karbonylsignalen från IR. Glädjande nog dök det under elektrolys upp en svag topp vid ca 1657 cm–1 som kunde tillskrivas C-N-sträckan av intermediären. Den svaga signal som observerades stödde hypotesen att iminiumkatjonen inte är tillräckligt stabil vid −45 °C.
Glotz, G., Kappe, C. O., & Cantillo, D. (2020). Elektrokemisk N-demetylering av 14-hydroximorfinaner: Hållbar tillgång till opioidantagonister. Organiska brev, 22(17), 6891–6896. https://doi.org/10.1021/acs.orglett.0c02424
Utmaning: Utveckla en grön, robust och högeffektiv process för att syntetisera enantiomeriskt rena hexenoater.
Enantiomeriskt rena (3R)-3-hydroxyl-5-hexenoater (1) är viktiga kirala intermediärer i syntesen av en mängd olika farmaceutiska föreningar. Syntetiska strategier för att komma åt (1) baserade på kemiska metoder har betydande nackdelar relaterade till produktivitet och hållbarhet. Biokatalys erbjuder ett hållbart alternativ. Det dubbla enzymsystemet som består av en muterad KRED (dvs. KRED-06) och Lactobacillus kefir alkoholdehydrogenas (LkADH) i kombination med in-situ kofaktoråtervinning ger utmärkt utbyte och enantioselektivitet av (1), men praktiska problem för industriell tillämpning kvarstår.
För att ta itu med dessa problem utvecklade forskare en grön kontinuerlig flödesprocess för att producera (1) genom att samimmobilisera KRED/LkADH till en bärare av polyvinyal alkohol (PVA) via instängning och ladda den i en rörformig reaktor med inline mikrofluidisk vätske-vätskeextraktion och membranseparationsenheter. Tester av olika bärare visade att PVA gav den högsta katalytiska aktiviteten samt mekanisk och fysikalisk stabilitet. Efterföljande snabb optimering utnyttjade inline FTIR - och GC-MS-analys. ReactIR användes för att fastställa att steady state uppnåddes efter att reaktionsströmmen lämnat flödesreaktorn och att ett idealiskt pluggflöde bildades inuti flödesreaktorn, vilket bekräftade att reaktionslösningen var väl fördelad medan den flödade genom den packade KRED/LkADH@PVA.
"Optimering av snabba flödesreaktioner utfördes genom att utnyttja inline FTIR-övervakning och GC−MS-analys. Den kontinuerliga flödessyntesen med modellsubstratet kan ge en markant processintensifiering i jämförelse med motsvarande satsreaktion... Resultaten av detta arbete understryker inte bara robustheten och användbarheten av KRED/LkADH@PVA utan ger också en grönare och mer hållbar kontinuerlig flödesprocess för högeffektiv produktion av enantiomeriskt rena (3R)-hydroxyl-5-hexenoater som lätt kan realiseras i stor skala.
Hu, C., Huang, Z., Jiang, M., Tao, Y., Li, Z., Wu, X., Cheng, D., & Chen, F. (2021). Asymmetrisk syntes med kontinuerligt flöde av (3R)-3-hydroxyl-5-hexenoater med samimmobiliserat ketoreduktas och Lactobacillus kefir-dehydrogenas Integrering av grönare inline mikrofluidiska vätske-vätske-vätskeextraktorer och membranseparatorer. ACS Hållbar Kemi & Teknik, 9(27), 8990–9000. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c01419
Utmaning: För att eliminera de hårda reaktionsförhållandena och de aggressiva reagenserna som används för metylering av organohalider, utvecklades ett nytt tillvägagångssätt som använder trimetylortoformiat som metylkälla i en nickel/fotoredox-katalys.
Detta nya tillvägagångssätt för metylering av organohalider kan utföras under relativt milda förhållanden, utan aggressiva eller mycket giftiga kemikalier, med användning av det vanliga organiska reagenset trimetylortoformiat som källa till metylgruppen och är förenligt med målen för grön kemi. ReactIR och NMR stöder ß-saxmekanismen för reaktionen.
När omfattningen av reaktionen var grundligt utforskad, undersöktes reaktionsmekanismen via in-situ FTIR. Spårning av reaktionen indikerade att dimetylkarbonat och 4'-metylacetofenon genereras i förhållandet 1:1 från utgångsmaterialet 4'-kloracetofenon. Kvantitativ 13C NMR visade också att bildandet av produkterna var i förhållandet 1:1. IR- och NMR-experimenten ansågs vara indikativa för övergripande kinetik som inte är nollnte. Bildningen av stökiometriska mängder av dimetylkarbonatbiprodukt överensstämmer med en ß-saxmekanism.
Kariofillis, S. K., Shields, B. J., Tekle-Smith, M. A., Zacuto, M. J., & Doyle, A. G. (2020). Nickel/fotoredox-katalyserad metylering av (hetero)arylklorider med användning av trimetylortoformiat som källa till metylradikal. Journal of the American Chemical Society, 142(16), 7683-7689. https://doi.org/10.1021/jacs.0c02805
Realtidsanalys använder modern sondbaserad teknik som kan placeras direkt i processströmmar för att möjliggöra analytisk profilering av materialet under reaktionen. Några exempel på teknik för realtidsanalys är: