Die Grundlagen nachhaltiger Chemie. Moderne Synthesemethoden (OC07) Christina Kosch, Moritz Wolfer

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Innozenz Pfaff
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1 Die Grundlagen nachhaltiger Chemie Moderne Synthesemethoden (OC07) Christina Kosch, Moritz Wolfer

2 Was bedeutet Nachhaltigkeit? Nachhaltigkeit ist ein Handlungsprinzip zur Ressourcen-Nutzung, bei dem die Bewahrung der wesentlichen Eigenschaften, der Stabilität und der natürlichen Regenerationsfähigkeit des jeweiligen Systems im Vordergrund steht. - Wikipedia, die freie Enzyklopädie (2016) Definition nachhaltige Chemie 2

3 Was ist nachhaltige Chemie? Realisierbar Effizient Umweltfreundlich Nachhaltige Chemie Ökonomisch Nachhaltigkeit auf molekularem Level Chemische Innovationen, die Umwelt- und ökonomische Ziele vereinen Produkt- und Prozessoptimierung Erzeugung und Verwendung von Gefahrstoffen ausschließen Weniger Einsatz (Edukt/Lsm/Energie) bei gleicher Ausbeute & Abfallvermeidung Nicht notwendigerweise Kompromisse, sondern synergistische Effekte Zwölf zusammenhängende Prinzipien Nachhaltig Definition nachhaltige Chemie 3

4 Definition Eingeführt durch Anastas & Warner (1998) Richtlinien bzw. Entwurfsregeln zum Praktizieren grüner Chemie Design-Gerüst chemischer Produkte Ziele: Effizienz & Sicherheit Die zwölf Prinzipien 4

5 5

6 1. Abfallvermeidung Ressourcenschonung durch: Geringeren Chemikalienverbrauch Vermeidung von Nebenprodukten & Aufarbeitungsschritten Energieverwertung Bewertung von Reaktionen nach E-Faktor Die zwölf Prinzipien 6

7 E-Faktor Environmental Impact Factor (R. Sheldon, 1992) Messgröße zur Quantifizierung produzierter Abfallmengen pro kg Produkt [1] E Faktor = m (Abfall) m (Produkt) Die zwölf Prinzipien 1. Abfallvermeidung 7

8 2. Atomökonomie Auch: Atom-Effizienz (AE; B. Trost, 1990) Zielsetzung: Produkt enthält maximale Atom-Anzahl aus Reaktanden AE = M (Produkt) σ i M i (Reaktand) [1] Die zwölf Prinzipien 8

9 5. Sichere Lösemittel Kritikpunkte Größter Abfall-Anteil in Industrie Toxizität Entflammbarkeit Korrosion Flüchtigkeit Energie-intensive Bereitstellung Lösungsansätze Lösemittel-freie Systeme Umstellung auf umweltfreundlichere Lösemittel Überkritische Flüssigkeiten Ionische Flüssigkeiten Die zwölf Prinzipien 9

10 Überkritische Flüssigkeiten Supercritical fluids (SCF) Silmutanes Erhitzen & Komprimieren oberhalb des kritischen Punkts Bsp.: H 2 O, CO 2, CH 4, EtOH, Aceton [1] Die zwölf Prinzipien 5. Sichere Lösemittel 10

11 scco 2 [2] Die zwölf Prinzipien Überkritische Flüssigkeiten 5. Sichere Lösemittel 11

12 [3] Ionische Flüssigkeiten Flüssige Salze bei RT Nahezu kein Dampfdruck Sehr geringe Entflammbarkeit Bsp.: (un)polares Lösemittel DBU: 1,8-Diazabicyclo- [5.4.0]-undec-7-en Die zwölf Prinzipien 5. Sichere Lösemittel 12

13 6. Erhöhung der Energie-Effizienz Reaktionen mit geringem Energie-Aufwand Energie-Verwertung Alternative Energien Solarenergie Windkraft Die zwölf Prinzipien 13

14 7. Nachwachsende Rohstoffe Cellulose Chitin Die zwölf Prinzipien 14

15 8. Vermeidung von Derivatisierungen/ kürzere Synthesewege Kovalente Derivatisierung Bisherige Schutzgruppenchemie Mehrere Reaktionsschritte & Chemikalien nötig [1] Nicht-kovalente Derivatisierung Basis: intermolekulare WW Die zwölf Prinzipien 15

16 9. Katalyse Erhöhte Effizienz durch: Senken der Aktivierungsenergie Vermeiden des stöchiometrischen Reaktanden-Einsatzes Höhere Produktselektivität Bsp.: Grubbs-Katalysator, Biokatalysatoren (Enzyme) Weniger Energieaufwand, Ausgangsmaterial & Abfall Die zwölf Prinzipien 16

10. Biologische Abbaubarkeit Voraussetzungen: Abbau durch Enzyme möglich Funktionalitäten, Größe etc. Möglichkeiten zur Umsetzung: Vermeidung von z. B. verzweigten Ketten, quaternären Cs, tert.

17 10. Biologische Abbaubarkeit Voraussetzungen: Abbau durch Enzyme möglich Funktionalitäten, Größe etc. Möglichkeiten zur Umsetzung: Vermeidung von z. B. verzweigten Ketten, quaternären Cs, tert. Aminen Integration bestimmter funktioneller Gr. wie Ester oder Amide Enzymatische Erkennung Die zwölf Prinzipien 17

18 11. Echtzeit-Analyse Vermeiden der Probenvorbereitung Veränderung der Reaktionsgemisch- Zusammensetzung erkennen Sicherer bzgl. menschlicher Gesundheit sowie umweltschonender Bsp. in situ-ir-spektroskopie Die zwölf Prinzipien 18

19 Fällt euch ein Prozess ein, bei dem einige dieser Prinzipien umgesetzt werden könnten? Zwischenfrage 19

20 Bsp. Biokatalyse Milde Bedingungen Physiologischer ph Umgebungstemperatur Umgebungsdruck Abbaubarer/wiederverwendbarer Katalysator (Enzym) Umweltfreundliches Lösemittel (Wasser) Hohe Selektivität (chemo/regio/stereo) Keine Gruppenaktivierung nötig Vermeidung von Verunreinigungen (Metalle) Anwendungsbeispiel 20

21 Synthese eines Intermediats in der Herstellung des Cholesterinsenkers Lipitor Alte Syntheseroute: Asymmetrische Hydrierung von Ethyl-4-chloracetoacetat S N 2 von Chlorid durch Cyanid (HN) Reduktion [4] NaCN, ph Anwendungsbeispiel Biokatalyse 21

[4] Biokatalytische Reduktion von Ethyl-4- chloracetoacetat mit Ketoreduktase (KRED) in Kombination mit Glukose & Glukose- Dehydrogenase zur Co-faktor

22 [4] Biokatalytische Reduktion von Ethyl-4- chloracetoacetat mit Ketoreduktase (KRED) in Kombination mit Glukose & Glukose- Dehydrogenase zur Co-faktor Regenerierung (S)-ethyl-4-chlor-3-hydroxybutyrat S N 2 von Chlorid durch Cyanid Katalysiert durch Halohydrin- Dehalogenase (HHDH) Anwendungsbeispiel Biokatalyse 22

23 Zwischenfrage Wo wurden in dieser Synthese Prinzipien der nachhaltigen Chemie angewendet? 23

Prinzip 1 Vermeidung von Abfall Hochselektive biokatalytische Reaktionen ermöglichen signifikante Abfallreduktion Rohmaterial wird zu 90% umgesetzt 95%ige Reinheit >99,5% Enantiomerenrein Vermeidung

24 Prinzip 1 Vermeidung von Abfall Hochselektive biokatalytische Reaktionen ermöglichen signifikante Abfallreduktion Rohmaterial wird zu 90% umgesetzt 95%ige Reinheit >99,5% Enantiomerenrein Vermeidung von Nebenprodukten Aufreinigung deutlich einfacher/entfällt z.t. Wiederverwendung von 85% der Lösemittel E-Faktor von 5,8/18 (ohne/mit H 2 O) Anwendungsbeispiel Biokatalyse Erklärung der Prinzipien 24

25 Einsatz von Glukose zur Co-faktor Regenerierung Kosteneffizient Atomökonomiefaktor nur 45% Aber erneuerbarer Rohstoff und Produkt abbaubar (Prinzip 2: Atomökonomie) Prinzip 3: Weniger gefährliche Synthese Reduktionsschritt beinhaltet nur ungefährliche Reagenzien Kein Einsatz von Wasserstoff oder metallischen Katalysatoren Cyanid bei beiden Synthesen Hier mit besserer Effizienz und Unter sanfteren Bedingungen Anwendungsbeispiel Biokatalyse Erklärung der Prinzipien 25

26 Lösemittel: Butylacetat & Wasser Umweltverträglich Prinzip 5: Sichere Lösemittel Prinzip 6 & 9: Energieeffizienz und Katalyse Im Cyanierungs-Schritt Umgebungstemperatur & -druck Neutraler ph Keine Destillation im Hochvakuum nötig Anwendungsbeispiel Biokatalyse Erklärung der Prinzipien 26

27 Enzym-Katalysator & Glukose Co-substrat aus nachwachsenden Rohstoffen Komplett biologisch abbaubar Prinzip 7 & 10: Nachwachsende Rohstoffe und Abbaubarkeit Prinzip 8: Nebenprodukte vermeiden Nebenprodukte werden kaum gebildet Weniger Prozessschritte Hohe Selektivität des Katalysators Anwendungsbeispiel Biokatalyse Erklärung der Prinzipien 27

28 Prinzip 11 & 12: Echtzeitanalyse und sicherere Chemie Reaktionen bei konstant neutralem ph Automatisch kontrolliert NaCN Zugabe nach Bedarf, verringert HCN Konzentration HCN in situ regeneriert mit HCl (Schritt 2) Anwendungsbeispiel Biokatalyse Erklärung der Prinzipien 28

29 Umsetzung Nachhaltige Chemie Als Teil der Umwelt beeinflussen wir unsere Lebensqualität durch die Art der Interaktion mit unserer Umgebung Nachhaltige Chemie ist ein Werkzeug zum Erreichen einer nachhaltigen Industrie Industrieller Umweltschutz Ziel: nachhaltige Entwicklung 29

30 Danke für eure Aufmerksamkeit! Eure Meinung? Nachwachsende Rohstoffe vs. Nahrungsmittelanbau Energiebilanz überkritischer Lösemittel 30

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