Ķīmija un sabiedrības ilgtspējīga attīstība

Zaļā ķīmija praksē

Centieni padarīt ķīmiskos procesus “zaļākus” iekļauj:

1) ražošanas metožu pārprojektēšanu, lai lietotu dažādus izejmateriālus,
2) dažādu reakcijas apstākļu, katalizatoru un šķīdinātāju lietošana,
3) ražošanas metožu lietošana ar mazāku pakāpju skaitu.

Iznākums un atomu ekonomija

Viena no zaļas ķīmijas pamatdomām ir atomu ekonomija. Tajā apskata, cik daudz no izejvielām iesaistās gala produktā. Ideālā gadījumā visi izejvielu atomi būtu iesaistīti gala produktā, tādā reakcijā vispār nebūtu atkritumu, taču tas reti ir iespējams. Reakcijas atomu ekonomija parāda cik procentu izejvielas tiešām tiek iesaistīti produktos.

Ķīmiskās reakcijas iznākums

Pārsvarā ķīmiskā industrija nodarbojas ar viena materiāla pārvēršanu citā, kas ir vērtīgāks un ir izmantojams tālāk. Tas irveids kā šī industrija pelņa – pārvēršot mazāk vērtīgus materiālus vērtīgākos. Šim procesam bieži vien ir nepieciešami vairāki posmi un to sauc par ķīmisko sintēzi. Saprotams, ka ķīmiķi, kas veic sintēzi grib maksimāli efektīvi izejvielas pārvērst produktos, taču ir loti maz reakciju, kurās produkts rodas kvantitatīvi (100% iznākums). Pirmkārt, reakcija var būt apgriezeniska un veidot līdzsvara maisījumu. Otrkārt, var būt vairāki alternatīvi reakcijas produkti. Turklāt šeit nenovēršami būs zaudējumi vēlamā produkta izdalīšanā unattīrīšanā. Praksē nevienā reakcijā netiek iegūts produkts ar 100% iznākumu. Pat, ja reakcija notiek līdz galam un ir tikai viens iespējamais produkts,vienmēr ir zaudējumi, kas saistīti ar praktisko atdalīšanas procesu.

Atomu ekonomija

Ķīmiskās reakcijas iznākuma ideja ir noderīga, bet,ja vērtē no zaļās ķīmijas viedokļa, tā tomēr nav pilnīga. Tas ir tāpēc, ka iznākumu rēķina pēc tā reaģenta, kas ir mazākumā, un netiek ņemts vērā pārējās izejvielas, kas tiek pievienotas pārākumā. Viens no zaļās ķīmijas principiem nosaka, ka vajag censties izmantot maksimāli visas izejvielas, lai tās būtu iesaistītas gala produktos. Tādā veidā vairs nepaliek tik daudz reakcijas atkritumu, kas bieži vien ir ļoti toksiski un kaitīgi dabai. Bet reakcijas ar augstu procentuālo iznākumu ne vienmēr atbilst šim principam. Atomu ekonomija balstās uz to, lai reakcijās kā atkritumu produkti, kas ir neizbēgami atšķelšanas un aizvietošanas reakcijās, saturētu pēc iespējas mazāk atomu.

Selektivitāte

Vēl atomu ekonomija un reakcijas iznākums ir saistīts ar reakcijas selektivitāti. Vairumam reakciju ir iespējami dažādi reakcijas ceļi un produkti, tāpēc rodas nepieciešamība virzīt reakciju vēlamā produkta rašanās virzienā. Reakcijas, kurā rodas līdzīgi daudzumi visu iespējamo reakcijas produktu, nav selektīvas un šādās reakcijās radušies blakusprodukti, ko var uzskatīt par atkritumiem, satur ievērojamu daļu no izejas materiāla, kas nav izlietots lietderīgi. Lai nodrošinātu labāku izejvielu izmantošanu, nepieciešams padarīt šīs reakcijas selektīvākas. To var izdarīt ļoti daudzos dažādos veidos (mainot reakcijas apstākļus, tipu,izejvielas, enerģijas pievadīšanas veidu u.c.). Tā piemēram izmantojot nātrija borhidrīdu ir iespējams reducēt vienas molekulas C=O saiti neskarot C=C saiti. Šajā gadījumā nātrija borhidrīds ir selektīvs reaģents atšķirībā no Pd vai Ni katalizatoriem, ar kuriem notiktu abu šo saišu reducēšana. Pasaulē aktuāla problēma ir optiski aktīvo savienojumu selektīva sintēze. Bieži medicīnā tiek lietoti optiski aktīvie savienojumi, taču bieži vien bioloģiskā aktivitāte piemīt tikai vienam enantiomēram, bet otrs ir vai nu neaktīvs (labākajā gadījumā) vai arī tam ir pilnīgi citādāka bioloģiskā aktivitāte (nereti tas pat ir toksisks). Gadījumos, kad nevajadzīgā enantiomēra bioloģiskā aktivitāte to atļauj, zālēs tiek lietots racēmiskais maisījums, jo enantiomēru atdalīšana ir dārgs un diezgan sarežģīts process. Arī šādu savienojumu sintēzē netiek pilnībā lietderīgi izmantotas izejvielas. Piemēram, Ibuprofen, kam (S) forma irefektīvs pretsāpju līdzeklis, bet (R) forma ir neaktīva.

Reakcijas vide

Parasti ķīmiskās reakcijas tiek veiktas šķīdumos, kuri paši ir dabai kaitīgi vai ienes tajā sintēzes produktus, izejvielas u.c. Pašlaik tiek attīstīti vairāki virzieni, lai maksimāli samazinātu gaistošu organisko savienojumu lietošanu sintēzēs.

Pastāv četras alternatīvas stratēģijas:

1) ūdens lietošana,
2) superkritisko šķīdumu lietošana,
3) jonu šķidrumu lietošana,
4) reakcijas bez šķīdinātāja.

Ūdens kā šķīdinātājs

Ūdens tiek uzskatīts par labu šķīdinātāju, jo tas pats par sevi nav dabai kaitīgs, jo ir dabisko ķīmisko procesu vide. Pēdējā laikā ir atklāts, ka daudzas klasiskas ķīmiskās sintēzes ir iespējams veikt ūdens vidē, nevis tikai, kā tika uzskatīts iepriekš, organiskajos šķīdinātājos.

Superkritiskie šķīdumi

Par šķīdinātājiem un reakcijas vidi var izmantot arīvielas superkritiskā stāvoklī, t.i., stāvoklī, kad nevar atšķirt šķidro fāzi nogāzvaida (skat. 2.pielik.). Šādā stāvoklī vielām piemīt īpatnējas fizikālās īpašības. Visbiežāk izmanto superkritisko CO₂.

Jonu šķidrumi

Par šķīdinātājiem var izmantot jonu savienojumus [4,5,6], kam ir organiskie katjoni. Ir izmantojami savienojumi ar relatīvi zemām kušanas temperatūrām. Pēdējo piecdesmit gadulaikā izmantojamo jonu šķidrumu kušanas temperatūra ir samazinājusies no +800^oClīdz -96^oC un tie ir daudz mazāk korozīvi.

Jonu šķidrumi tiek uzskatīti par zaļiem šķīdinātājiem, jo tiem ir labas šķīdinātāju īpašības un tie ir praktiski negaistoši, termiski stabili, ir izmantojami vairākkārt un dažās reakcijās nerada papildus atkritumu produktus.

Ļoti daudzas reakcijas ir iespējams veikt bezšķīdinātāja klātbūtnes, vienkārši sajaucot izejvielas un katalizatoru un sakausējot reakcijas maisījumu. Šādā veidā vispār tiek novērsta jebkāda šķīdinātāja lietošana un ir iespējams iegūt savienojumus, ko savādāk būtu ļoti grūti iegūt.