Co to jest „zielona chemia” (green chemistry)?

Chemia na ogół kojarzy się z kolorowymi substancjami kipiącymi w tajemniczo wyglądających aparaturach. Wbrew tej wizji „zieloność” chemii nie wynika wcale z koloru używanych reagentów. To co zielone kojarzy się z naturą, przyrodą, według psychologów zielony kolor działa uspokajająco. I właśnie z takiego rozumowania wynika „zieloność” zielonej chemii. Chodzi o to aby planować procesy chemiczne i kreować nowe substancje tak, by były one możliwie najmniej szkodliwe dla środowiska naturalnego i dla zdrowia człowieka. Uspokoić ludzi, którym chemia kojarzy się wyłącznie z zanieczyszczeniami i truciznami. Bo przecież nie możemy wyeliminować chemii z naszego życia. Możemy ją natomiast zazielenić..

No i jeszcze jedno: chemia nigdy nie będzie do końca zielona. Wraz z rozwojem nauki pojawiają się bowiem nowe możliwości uczynienia jej jeszcze bardziej zieloną. I to jest właśnie głównym celem „zielonych” chemików.

Co to jest „zielona synteza”?

Zielona chemia to pojęcie bardzo ogólne, możemy znaleźć przykłady możliwych zielonych procesów w niemalże wszystkich dziedzinach życia. Ich, choćby zwięzłe, zaprezentowanie wymagałoby znacznie obszerniejszej publikacji niż ta.

Zielona synteza dotyczy procesów prowadzących do otrzymania związków chemicznych. Jest częścią zielonej chemii i także charakteryzuje się koniecznością globalnego, patrzenia na proces chemiczny oddziałujący na środowisko naturalne. Uwzględnia wydajność reakcji, ekonomię atomową, charakter użytych rozpuszczalników, odnawialność substratów, energochłonność i wiele innych czynników. Zielona synteza nie obejmuje jednak takich zagadnień jak zastosowanie biodegradowalnych środków czystości, ekstrakcji kofeiny z kawy nadkrytycznym CO₂, barwienia tkanin i innych, wchodzących jak najbardziej w zakres zielonej chemii.

Rozważmy następujący przykład. Dwie różne syntezy prowadzą do tego samego produktu. Jedna jest syntezą jednoetapową, druga ma ich.. dwadzieścia jeden. Załóżmy w tej pierwszej wydajność 80% (dość dobra). Załóżmy w tej drugiej wydajność 90% dla wszystkich etapów. (jest to oczywiście prawie niemożliwe – zwykle w chemii organicznej wydajności rzędu 80% określa się już jako bardzo dobre).

Wydajność całego procesu dla pierwszej syntezy wyniesie 80%, bo mamy tylko jeden etap. Obliczmy teraz wydajność dla drugiego procesu: 90% x 90% x 90%.. i tak dalej, jeszcze osiemnaście razy. Łącznie otrzymamy więc 0,9²¹ czyli niecałe 11%! A jaka byłaby gdyby wydajności poszczególnych etapów były niższe?

Synteza dwudziestojednoetapowa to przykład ekstremalny, lecz realny. Przytoczony poniżej schemat syntezy tropinolu jest zupełnie poprawny. Można jednak uzyskać tropinol także w innej, jednoetapowej reakcji, której schemat także umieszczono poniżej.

Który z procesów ma szanse być bardziej zielony raczej nietrudno odgadnąć.

kliknij aby powiększyć

Co to jest ekonomia atomowa?

Zwykle mówiąc o wydajności reakcji mamy na myśli stosunek otrzymanej ilości produktu do maksymalnej ilości jaką moglibyśmy teoretycznie otrzymać z użytych substratów. Ekonomia atomowa każe patrzeć na syntezę zgoła inaczej. Uwzględnia się tu wszystkie substancje które biorą udział w reakcji i ulegają zużyciu. Bo cóż z tego że wydajność syntezy wyniesie 100% jeśli poza produktem wytworzymy ogromną ilość produktów ubocznych – będących przecież niczym innym jak chemicznym odpadem – często na dodatek toksycznym. Procentowy wskaźnik ekonomii atomowej obliczamy dzieląc masę molową produktu przez sumę mas molowych wszystkich substancji które zostały zużyte podczas reakcji. Wnioski:
- reakcje addycji i przegrupowania mają przewagę nad reakcjami substytucji, a te z kolei nad reakcjami eliminacji;
- ilekroć jest to możliwe należy stosować katalizatory, a nie reagenty w ilościach stechiometrycznych.