Katalízis a zöld kémiában Dr. Sipos Éva Kutató-fejlesztő mérnök EGIS Nyrt./ Kémiai Kutatási Főosztály
Zöld kémia Paul Anastas (EPA) alkotta meg a zöld kémia elnevezést 1990 körül Definíció A zöld kémia egy sor olyan alapelv alkalmazását jelenti, amellyel csökkenthető vagy megszüntethető a veszélyes anyagok alkalmazása vagy képződése a vegyipari i termékek k tervezésénél, é él előállításánál á és felhasználásánál. A zöld kémia 12 alapelve l definíció jelentése a gyakorlatban 2
A zöld kémia alapelvei (1-4) Megelőzés Jobb megelőzni a hulladék keletkezését, mint keletkezése után kezelni. Atomhatékonyság A szintézisek tervezésénél törekedni kell a kiindulási anyagok maximális felhasználására. Kevésbé veszélyes kémiai szintézisek Lehetőség szerint már a szintézisek tervezésénél olyan reakciókat célszerű választani, melyekben a felhasznált és a képződött anyagok nem mérgező hatásúak és a természetes környezetre nem ártalmasak. Biztonságosabb Vegyszerek tervezése A kémiai termékek tervezésénél törekedni kell arra, hogy a termékekkel szembeni elvárások mellett mérgező hatásuk minél kisebb mértékű legyen. 3
A zöld kémia alapelvei (5-8) Biztonságosabb oldószerek és adalékanyagok A segédanyagok (pl. oldószer, extraháló anyag, stb.) használatát minimalizálni kell, s amennyiben lehetséges ezek zöldek legyenek. Energiahatékonyság Az energiafelhasználás csökkentésére kell törekedni (szobahőmérséklet és atmoszférikus nyomás). Megújuló nyersanyagok Megújuló nyersanyagokból válasszuk a vegyipari nyersanyagokat. Származékképzés kerülése A felesleges származékképzést (blokkoló ill. védőcsoportok alkalmazása, fizikai/kémiai eljárások ideiglenes módosítása) minimalizálni kell, illetve ha lehet elkerülni, mert az ilyen lépések további reagenseket igényelnek és hulladékot termelnek. 4
A zöld kémia alapelvei (9-12) Katalízis Reagensek helyett szelektív katalizátorok alkalmazását kell előtérbe helyezni. Lebomlás tervezés A kémiai terméket úgy kell megtervezni, hogy használatuk végeztével ne maradjanak a környezetben, és bomlásuk környezetre ártalmatlan termékek képződéséhez vezessen. Valós idejű analitika a szennyezés megelőzésére Új és érzékeny analitikai módszereket kell használni a vegyipari folyamatok in situ ellenőrzésére, ő é hogy a veszélyes anyagok keletkezését idejében észleljük. Biztonságosabb kémia a balesetek megelőzéséhez A vegyipari folyamatokban olyan anyagokat kell használni, amelyek csökkentik a vegyipari balesetek (kémiai anyagok kibocsátása, robbanás, tűz) valószínűségét. 5
Zöld kémia és a Nobel díj 2005 kémiai Nobel díj Yves Chauvin, Robert H. Grubbs, Richard R. Schrock szerves szintézisekben a metatézis módszer kifejlesztése 2010 kémiai Nobel díj: Richard F. Heck, Ei-ichiichi Negishi, Akira Suzuki a három tudós egymástól függetlenül, palládiumatomok által katalizált szerves kémiai reakciók létrehozásával új gyógyszerek kifejlesztéséhez szükséges anyagokat hozott létre. 6
A fenntartható fejlődés sustainable development Olyan fejlődési folyamat (földeké, városoké, üzleteké, társadalmaké stb.), ami kielégíti a jelen szükségleteit anélkül, hogy csökkentené a jövendő generációk képességét, hogy kielégítsék a saját szükségleteiket. Fenntarthatóság a cél, a Zöld kémia az eszköz, mellyel ez elérhető. 7
Az E faktor Iparágazat Termékvolumen kg melléktermék/ tonna/év kg termék Olajfinomítás 10 6-10 8 0,1 Alapanyagok 10 4-10 6 < 1-5 Finomkémiai 10 2-10 4 5 >50 termékek Gyógyszerek 10-10 3 25 >100 EQ environmental quotient-környezeti tényezõ az E faktort megszorozzuk egy önkényesen megválasztott károssági Q faktorral. Például a NaCl Q értéke legyen 1, a nehézfém króm sóinak Q értéke pedig a mérgezõ hatástól függõen 100 és 1000 közötti. Ezek vitatható értékek, de összehasonlításra alkalmasak. 8
Atomszelektivitás a kívánt termék molekulatömege osztva a reakcióegyenletben szereplõ összes termék molekulatömegének összegével (atomhasznosítási tényező) az atomszelektivitás az adott reakció vagy eljárás környezetbarát illetve környezetszennyezõ voltáról ad tájékoztatást CH 3 COOH O 2 N NO 2 K 2 Cr 2 O 7 O 2 N NO 2 Fe/HCl H 2 SO 4 /SO 3 -CO 2 NO 2 NO 2 TNT N H 2 NH 2 NH 2 aq.hcl Atomhasznosítási tényező < 5%, E faktor 40 (40 kg szilárd hulladék/kg phloroglucinol) T HO OH OH phloroglucinol 9
Sztöchiometrikus Katalitikus Redukció 4PhCOCH 3 +N NaBH 4 +4HO 2 O PhCOCH 3 +H 2 PhCH(OH)CH 3 4 PhCH(OH)CH 3 + NaB(OH) 4 ASZ = 120/120 = 100% ASZ = 122/147,5 = 82,7% heterogén katalitikus PhNO 2 +2Fe+HO=PhNH +H 2 2 +FeO 2 3 PhNO 2 + 3H 2 =PhNH 2 +2HO 2 ASZ = 93/253 = 36,8% ASZ = 93/129 = 72% Oxidáció 3 PhCH(OH)CH 3 + 2 CrO 3 + + 3 H 2 SO 4 3 PhCOCH 3 + Cr 2 (SO 4 ) 3 + 6H 2 O ASZ = 120/270 = 44% C-C kapcsolás PhCH(OH)CH 3 + HCl PhCH(CH 3 )Cl + H 2 O PhCH(CH 3 )Cl PhCH(CH 3 )CO 2 H + MgCl 2 1. Mg 2. CO 2 3. HCl ASZ = 148/243 = 61% PhCH(OH)CH 3 + 1/2 O 2 (H 2 O 2 ) PhCOCH 3 + H 2 O(2H 2 O) homogén vagy heterogén katalitikus ASZ = 120/138 = 87% (120/156 = 77%) Karbonilezés PhCH(OH)CH 3 + CO PhCH(CH 3 )CO 2 H homogén katalitikus ASZ = 148/148 = 100% 10
A katalízis szerepe Szerves vegyületek előállításában áb a keletkezett tt hulladék elsősorban szervetlen sókból áll Gyógyszeriparban sztöchiometrikus t ik technológiák uralkodnak Megoldás: Tisztább, katalitikus alternatívák alkalmazása A katalízis a zöld kémia egyik legfontosabb eszköze. Növeli a szelektivitást, itá t ezáltal l csökkenti a tisztítással títá kapcsolatos anyag- és energia költségeket. 11
Klasszikus aromás kémia O R R RX AlCl 3 HNO 3 H 2 SO 4 /SO 3 NO 2 H 2 SO 4 X 2 SO 3 H H 2 X NaOH T NH 2 OH- T OH diazotálás 12
Nem-klasszikus aromás kémia O R RCO 2 H R(-H) R katalizátor zeolit O 2 vagy H 2 O 2 O O OH katalizátor H vagy R NH 2 13
Katalízis a Zöld kémiában Katalízis szilárd savakkal és bázisokkal Katalitikus redukció Enantioszelektív katalízis Katalitikus oxidáció Katalitikus C-C C kapcsolás Biokatalízis 14
Katalízis szilárd savakkal és bázisokkal Finomkémiában iáb a hulladék fő forrásai a folyékony ásványi savak, Lewis savak. Helyettesítésük visszaforgatható szilárd savakkal és bázisokkal. Szilárd savkatalizátorok Savas agyagásványok Zeolitok Hordozós heteropolisavak Szerves ioncserélő gyanták Előnyök Nem keletkezik szervetlen só Elválasztás egyszerűsödik Biztonságosabbak és könnyebb velük dolgozni Nem szennyezik a terméket 15
Savas agyagásványok g y Amorf, réteges (alumínium)szilikátok Montmorillonit it Alkalmazás Fridel-Crafts alkilezés Lewis savakhoz hordozó Hátrány Limitált termális stabilitás 16
Zeolitok Kristályos alumínium-szilikátok X(Al,Si)O3xn(H2O), ahol X lehet Na, Ca, Li, K, Ba, Mg, Sr. Pórusok és üregek ( átmérő 0,3-1,4 nm) szabályos rendszere alakszelektivitás víztartalom jelentős része alacsony hőmérsékleten eltávolítható 17
Zeolit struktúrák 18
Szilárd sav katalízis vs hagyományos savkatalízis I. O MeO AlCl 3 + CH 3 COCl + HCl oldószer MeO MeO O + (CH 3 CO) 2 O H-beta + MeO CH 3 CO 2 H Homogén AlCl 3 > 1 ekvivalens Oldószer Termékek hidrolízise, Fázis elválasztás Szerves fázis desztillációja Oldószer regenerálás 85-95% termelés 4,5 kg vizes szennyvíz/kg 12 műveleti lépés Heterogén H-beta, katalitikus és regenerálható Nincs Oldószer Nincs vízfelhasználás - Szerves fázis desztillációja - > 95% termelés, nagyobb tisztaságt 0,035 kg vizes szennyvíz/kg 3 műveleti lépés 19
Szilárd sav katalízis vs hagyományos savkatalízis II. H NH 3 + 2 O 2 NO (NH 3 OH) 2 SO 4 Hagyományos eljárás H 2 SO 4 H 2 SO 4 (>1 eq) O NOH NH O Sumimoto eljárás NH O H 2 + 2 H 2 O 3 2 Beckmann átrendeződés TS-1 High Si MFI gõzfázis Hagyományos Sumimoto kénsav vagy óleum > 1 ekvivalens katalitikus gőzfázis 4,5 kg (NH 20 4 ) 2 SO 4 /kg kaprolaktám sómentes
Szilárd báziskatalizátorok Anionos agyagásványok (LDH, hidrotalcit) Természetes vagy szintetikus Lamelláris szerkezet Általános képlet: Mg 8-x Al x (OH) 16 (CO 3 ) x/2 x nh 2 O Bázikus zeolitok Előállítás ioncserével: protonok cseréje alkálifém- vagy alkáliföldfém ionokkal Mezopórusos szilikára kapcsolt szerves bázisok Bázikus szerkezeti részek, pl. aminok kapcsolása szilárd hordozóhoz 21
Katalitikus oxidáció Hagyományos oxidáló szerek: króm(vi) reagensek, permanganát, perjodát, mangán-dioxid. id Katalitikus alternatíva: O 2, H 2 O 2 Petrolkémiai alapanyagok előállításában széles körben alkalmazott eljárás az O 2-vel végzett katalitikus oxidáció Finomkémiai alkalmazásában nehézség: szubsztrátumok multifunkciós természete The best oxidation is no oxidation. Magasabb oxidációs állapotból indulni és redukálni Oxidációs állapot változtatásának tatásának elkerülése: olefin metatézis 22
TEMPO és vízoldható Pd katalizátorok R1 R2 OH H + kat. A vagy B 1/2 O 2 O + H 2 O A: RuCl 2 (PhP) 3 (1 m%) B: (3 m%) N O. C 6 H 5 Cl,100 o C NaO 3 S NaO 3 S N N Pd (OAc) 2 Pd(II)-bathophenantroline Oldószer víz 100 o C, 10-20 bar levegõ 23
Finasteride intermedier szintézise I. 24
Problémák Finasteride intermedier szintézise II. Perjodátos olefin hasítás eredménye kolloidális MnO 2 és NaIO 3 Sok műveleti lépés (13) Gyenge termelékenység és oxidációs hatékonyság Nagy mennyiségű vizes hulladék Sokféle oldószer Iparilag megvalósítható eljárás, de nem zöld eljárás. Megoldás: 25
Finasteride intermedier szintézise III. 26
Katalitikus C-C C kötés kialakítás C-C kötés kialakítására egyik fontos katalitikus módszer a karbonilezés Alapanyagok ecetsav előállítása metanol Rh katalizált karbonilezésével atomszelektivitás: 100% Gyógyszeripar Hoechst-Celanese: ibuprofén előállítása több ezer tonna évente, 2 katalitikus lépés: hidrogénezés és karbonilezés p-izobutil-acetofenon kiindulási anyagból Hoffmann La Roche fejlesztés: lazabemide 2,5-diklór-piridin Pd katalizált amidokarbonilezése 65% termelés, 100% atomszelektivitás Eredeti szintézis 8 lépés 2-metil-5-etil-piridin kiindulási anyagból, össztermelés 8% C-C C kötés kialakítására kítá á más katalitikus módszerek a metatézis, a Heck és a többi rokon kapcsolási reakció 27
Metatézis The epitome of green chemistry Szubsztituensek cseréje a kettős kötés körül Katalizátorok: átmeneti fém, Mo, W, Re és Ru jelenlétében 1960-as években nyersanyag gyártás: Shell Higher olefins Process (SHOP) Egyszerű példa: egyedüli termékként sztirént kapunk etilént sztilbénnel reagáltatva (-20) C, WCl6 és etil-aluminium diklorid etanolban Ph-CH=CH-Ph + H2C=CH2 2Ph-CH=CH2 28
Oldószerválasztás a zöld kémia Nem toxikus alapján Nem gyúlékony vagy korrozív The best solvent is no solvent. Alternatív oldószerek Víz: nem toxikus, nem gyúlékony, bőségesen van, olcsó Víz-szerves oldószer kétfázisú rendszerek Szuperkritikus CO 2 Szobahőmérsékletű ionos folyadékok Presidental Green Chemistry Challenge Award 2002: Sertralin új gyártási eljárása, á Pfizer 4 oldószert (DKM, THF, Toluol, hexán) váltottak egyre, etanolra 29
Homogén vs Heterogén katalízis Előnyök Hátrányok Homogén Enyhe reakciókörülmények Nagy aktivitás és szelektivitás Hatékony hőtranszfer Heterogén A katalizátor és a termék könnyen elválasztható Folyamatos eljárás Elválasztási és katalizátor Hőtranszfer problémák visszaforgatási nehézségek Folyamatos eljáráshoz nehezen adaptálható Alacsony aktivitás és/vagy szelektivitás 30
Megoldás a homogén katalízis hátrányaira Folyadék-folyadék kétfázisú katalízis katalizátor egyik fázisban, termékek és reaktánsok másikban. Egymással nem elgyedő szerves oldószerek Víz (vizes kétfázisú katalízis) Fluorozott ott olószerek (fluoros kétfázisú katalízis) Ionos oldószerek Szuperkritikus széndioxid 31
Két egymással nem elegyedő SHOP első lépése szerves oldószer (n+2) P NiH H 2 C CH 2 O 1,4-butándiol CH 3 CH 2 (CH 2 CH 2 ) n CH=CH 2 olefinek P O NiH = P Ni H vagy O O P Ni O H 32
Vizes kétfázisú katalízis Katalizátor legyen vízoldható Ruhrchemie/Rhone-Poulenc kétfázisú eljárása propilén n-butanallá való hidroformilezéséhez Szerves CHO + CO + H 2 Vizes H 2 CHO L L CO Rh H L L CO Rh L L CO Rh H O L = P SO 3 Na 3 CO L L CO Rh 33
Fluoros kétfázisú katalízis Fluorozott oldószerek Horváth és Rábai elnevezése, Science 1994 (analógia) Fluorozott alkánok, éterek és tercier aminok Szobahőmérsékleten nem elegyednek a szokásos szerves oldószerekkel, l magasabb hőmérsékleten ékl elegyedhetnek Flurozott oldószerek: CF 3 CF 3 (CF 2 )ncf 3 (CF 3CF 2CF 2CF 2 ) 3N F F F n = 4, 5, 6 Fluorozott ligandumok: C 8 F 17 (CH 2 ) 3 (CH 2 ) 3 C 8 F 17 C 6 F 13 P (C 6 F 13 CH 2 CH 2 ) 3 P 3 N N 34
Felhasznált irodalom Roger A. Sheldon, Isabel Arends, Ulf Hanefeld, Green Chemistry and Catalysis, Wiley-VCH, 2007 Peter J. Dunn, Andrew S. Wells, Michael T. Williams, Green Chemistry in the Pharmaceutical Industry, Wiley-VCH, 2010 Dr. Tungler Antal, Környezetbarát és katalitikus eljárások á c. tantárgy tá keretében tartott előadások, 2009 35