"Зеленая химия"

                      12 принципов Зеленой химии           

 

 

 

По инициативе Международного союза теоретической  и прикладной химии (ИЮПАК), поддержанной ЮНЕСКО, 63-я сессия Генеральной Ассамблеи Организации Объединенных наций объявила 2011 год Международным годом химии.

Этому событию посвящен целый ряд  мероприятий в России. В рамках Года химии на международном и национальных уровнях проходят различные мероприятия, в том числе связанные со 100-летием присуждения Нобелевской премии по химии М. Кюри и ролью женщин в развитии науки, 100-летием первой Международной ассоциации химических обществ. Важным событием стали 19 Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, который состоялся в сентябре в г. Волгограде, и Международная выставка «Химия-2011».

Девиз Года химии – «Химия – наша жизнь, наше будущее», т.е. его проведение направлено на формирование понимания в обществе, во-первых, важной роли химии: без химии (без новых материалов, лекарств, средств защиты растений, лаков, красок, цемента и т.д.) человечество обойтись не может; во-вторых, присутствия позитивных изменений, когда при внедрении новых и в процессе реконструкции действующих технологий создаются и внедряются новые экологически безопасные, энерго- и ресурсосберегающие процессы, которые позволят решить большинство экологических и природоохранных проблем.

Внести заметные изменения в существующую ситуацию призваны новые прогрессивные подходы. К современным эффективным механизмам природопользования, которые позволяют уменьшить воздействие предприятий и организаций на окружающую среду, относятся международные экологические стандарты серии ИСО (имеют добровольный характер), новый европейский регламент по безопасности химических веществ REACH, которые постепенно вводятся и на российских предприятиях, ряд других инициатив, а также использование на практике методов «зеленой» химии.

     Плакат А. Логиновой, greenchemistry.ru

 

«Зеленая» химия –  это вовсе не те разработки химиков, которые хорошо продаются. Определение «зеленой» химии, принятое ИЮПАК, гласит: «Зеленая химия – это открытие, разработка и применение химических продуктов и процессов, уменьшающих или исключающих использование и образование вредных веществ». В 1998 г. П. Анастасом и Д. Уорнером сформулирована новая концепция химии, в основу которой положены 12 принципов «зеленой» химии, которые заслуживают того, чтобы остановиться на них подробнее.

 

Принцип 1. Лучше предотвращать образование выбросов и побочных продуктов, чем заниматься их утилизацией, очисткой и уничтожением.    Например, если в процессе мы используем известный окислитель дихромат калия, то в продукте будет присутствовать токсичная соль хрома(III); при использовании «зеленых» окислителей: кислорода, пероксида водорода, закиси азота получим воду и азот соответственно, что позволит нам оставить без работы экологов.

 

Принцип 2. Методы синтеза должны разрабатываться таким образом, чтобы в состав конечного продукта включалось как можно больше атомов применяемых исходных реагентов.

Так, при синтезе аммиака из азота и водорода используется  100% взятых атомов, и это хорошо. А вот в процессе получения хлора взаимодействием концентрированной соляной кислоты с перманганатом калия по уравнению

2KMnO₄ + 16HCl = 2MnCl₂ + 5Cl₂ +2KCl +8H₂O

- 23% используемых атомов, поэтому этот способ используется только в лаборатории.

 

Принцип 3. По возможности следует стремиться к использованию или синтезу веществ, нетоксичных или малотоксичных для человека и окружающей среды.

Иллюстрация работы этого принципа видна из следующего примера: отбеливание целлюлозы хлором приводит к образованию и поступлению в окружающую среду диоксинов (на поверхности листа бумаги, произведенного с использованием этого метода, содержится несколько фемтограммов диоксинов). Предпочтительнее этот процесс проводить с использованием, например, пероксида водорода (продукт – вода). Другим примером соблюдения этого принципа может стать использование наноразмерной системы для доставки лекарств, высвобождающей свое содержимое при специфическом значении pH. Это свойство может оказаться особенно полезным для контролируемой доставки противораковых препаратов.

Механизированные наночастицы  реагируют на pH раствора: они либо высвобождают свое содержимое, либо «запираются», препятствуя высвобождению своей загрузки или вхождению в капсулы чужеродных веществ. (Рисунок из J. Am. Chem. Soc., 2009, DOI: 10.1021/ja9010157).

 

Принцип 4. Технологии должны обеспечивать создание новых материалов, обладающих наилучшими функциональными характеристиками и наименьшей токсичностью.

Например, использование  удобрений в форме, когда они  помещаются в инертную матрицу и  расходуются постепенно, целесообразнее по сравнению с традиционными способами, когда значительная часть их теряется (за счет вымывания осадками) и загрязняет окружающую среду.

 

Принцип 5. Следует по возможности избегать использования в процессах синтеза вспомогательных реагентов (растворителей, экстрагентов и т.д.); если это невозможно, ключевым критерием является параметр токсичности.

Это не требует комментария. Ведь атомы, входящие в растворители и экстрагенты, не входят в состав конечного продукта, но составляют в технологии значительную часть материального баланса; при этом для этих веществ характерны горючесть, взрывоопасность, и токсичность. Предпочтительнее использовать ионные жидкости в сверхкритических условиях.

 

Принцип 6. Энергетические расходы должны быть пересмотрены с точки зрения их экономии и воздействия на окружающую среду и минимизированы. По возможности химические процессы должны проводиться при низких температурах и давлениях.

Ярким примером использования  этого принципа является проведение хлорирования в среде органического растворителя (метод сольвометаллургии) взамен процесса с применением хлора; внедрение автогенных методов в металлургии.

 

Принцип 7. Сырье для получения продукта должно быть возобновляемым, а не исчерпаемым, если это экономически целесообразно и технически возможно.  

Возобновляемым сырьем являются: растительные масла (особенно пальмовое), целлюлоза, хитин, биомасса, бытовой мусор, углекислый газ. В качестве сорбентов предпочтительнее использовать растительные угли, цеолиты, глины и отходы различных производств.

              

Принцип 8. Следует минимизировать или вообще отказаться от промежуточных производных и стадий.

Прекрасный пример следования этому принципу из металлургии: использование прямых методов получения железа, исключающих стадию получения чугуна.

 

Принцип 9. Каталитические системы и процессы (как можно более селективные) во всех случаях лучше, чем стехиометрические.

Соблюдение этого принципа не требует доказательств. Можно отметить, что особенно высокую каталитическую способность в последнее время демонстрируют металлоорганические соединения (например, трис(гептадекафтороктансульфонат) скандия, который известен химикам-органикам под названием трифлат скандия, используют в реакциях ацилирования по Фриделю-Крафтсу, алкенирования, получения спиртов, изотопного обмена, паровой конверсии метана и некоторых других типах реакций).

 

Принцип 10. Следует стремиться к легкой биоразлагаемости исходных веществ и получаемых продуктов, чтобы по окончании их использования они не накапливались в окружающей среде, а разрушались до безвредных продуктов.

Яркой иллюстрацией соблюдения этого  принципа «зеленой» химии является создание биоразлагаемых полимеров  взамен обычной полимерной упаковки (разработка полимеров на основе молочной кислоты, замена полиакриловой кислоты полиглутаминовой, использование производных целлюлозы).

 

Принцип 11. Вещества и их агрегатное состояние в химических процессах должны выбираться таким образом, чтобы минимизировать вероятность химических аварий, таких как выбросы ядовитых веществ, взрывы, пожары.  

Чрезвычайно важный принцип. Часто  его несоблюдение приводит к человеческим жертвам. Следует исключить получение и использование в технологии ядовитых веществ, в первую очередь суперэкотоксикантов, обладающих высокой подвижностью в биосфере, для которых отсутствует понятие ПДК (диоксины, ртуть, кадмий, свинец).

 

Принцип 12. Для предотвращения образования опасных отходов следует использовать аналитические методы контроля в реальном режиме времени.

Этот принцип не требует пояснения. Предложен целый ряд количественных оценок технологий (атомной эффективности, Е-фактор, который учитывает размер отходов, и др.).

 

 

Плакат, посвященный зеленой химии. http://anugrah.bharatart.com 

 

В заключение следует отметить, что  вопросам обучения «green chemistry» в Европе и США уделяется внимание с 6 лет, а в Интернете имеются специальные обучающие сайты для школьников. Существует премия Королевского химического общества за заслуги в этой области. В России «зеленая» химия делает первые шаги. Международный год химии – тоже шаг в этом направлении.

 

Фотография участников школы Зеленой химии в Питтсбурге. http://cjli.mcgill.ca