De chemische industrie is verantwoordelijk geweest voor tal van technologische ontwikkelingen, maar ook veel milieuproblemen en rampen. Principes die worden toegepast door middel van wat groene chemie wordt genoemd, proberen gevaarlijke stoffen in het ontwerp te verminderen of te elimineren, vervaardiging en gebruik van chemische producten.

Deze principes worden nu alom aangeprezen als de oplossing om van de chemie een vakgebied te maken dat zich duurzamer ontwikkelt. De scheikundestudenten van tegenwoordig verwachten bij hun opleiding rekening te houden met de impact op het milieu. Onderzoeker op het gebied van scheikundeonderwijs Julie Haack van de Universiteit van Oregon merkt op dat laboratoriummethoden die tot groenere resultaten leiden, van cruciaal belang zijn voor de manier waarop scheikundedocenten scheikundigen uitrusten voor vandaag en de toekomst.

Als lid van de scheikundefaculteit en onderzoeker van groen scheikundeonderwijs aan de Universiteit van Winnipeg, met mijn collega Michael Weibe heb ik ontdekt dat er meerdere voordelen zijn aan het ontwikkelen van nieuwe experimenten waarin de principes en metrieken van groene chemie zijn verwerkt.

Wanneer studenten groene chemie oefenen, ze leren kritisch na te denken over de wereldwijde impact van hun vakgebied - en gelukkig, ze raken ook gepassioneerd door het nauwkeurig bestuderen van de principes en technieken die betrokken zijn bij chemische transformatie.

Door de principes en metrieken van groene chemie relatief aan studenten te introduceren, instructeurs kunnen de beginselen en maatstaven van groene chemie in de dagelijkse routines van toekomstige scheikundigen opnemen. Ze kunnen scheikundigen in opleiding uitdagen om altijd op zoek te gaan naar alternatieve routes, en inspireren zinvolle en doelgerichte nieuwsgierigheid.

Gevaarlijke chemicaliën

Bijvoorbeeld, in de volgende les, studenten kunnen leren dat een schijnbaar kleine ontwikkeling in de manier waarop chemici ervoor kiezen chemicaliën te synthetiseren, zou kunnen betekenen dat massale hoeveelheden gevaarlijke chemicaliën op industrieel niveau uit de afvalstroom worden gehouden.

Een reactie die nucleofiele aromatische substitutie wordt genoemd, is een voorbeeld van een laboratoriumexperiment dat studenten organische chemie in het algemeen in ongeveer een uur kunnen volbrengen.

Hieronder is een schematische weergave van deze reactie weergegeven. Chemici die in de industrie werken, zouden deze synthese kunnen doen als een van de verschillende stappen bij het produceren van geneesmiddelen, kunststof of textiel.

In deze stap, het broom (Br) wordt eenvoudig vervangen door een organische stikstofverbinding (N).

Nutsvoorzieningen, de milieu-impact als gevolg van een reactie als deze is meestal niet de doelverbinding zelf (2, 4-dinitro-N, N-diethylaniline). de gerelateerde gevaren zijn waarschijnlijker de reagentia, oplosmiddelen en energie die nodig zijn voor de succesvolle transformatie. Dit experiment gebruikt traditioneel tolueen als oplosmiddel, die giftig is, en vereist een katalysator genaamd tetrabutylammoniumbromide (TBAB). Er is ook de energie die nodig is om tolueen een uur lang tot een hoog kookpunt te koken.

Overweeg de alternatieven

In niet-gegradueerde scheikundelaboratoria, studenten leren snel dat het ontwikkelen van nieuwe processen een methodische en toegewijde werkethiek vereist. Studenten gaan begrijpen dat het de praktiserende chemicus maanden of jaren kan kosten om minder gevaarlijke routes naar dezelfde doelmoleculen te ontwikkelen.

Het ontwikkelen van nieuwe, minder gevaarlijk, routes lijken misschien niet praktisch of mogelijk, vooral wanneer studenten rekening houden met verwachtingen van externe factoren zoals academische supervisors of werkgevers die zich mogelijk niet inzetten voor groene chemie.

In plaats van tevreden te zijn met successen van traditionele gevaarlijke methoden, alle chemici moeten worden opgeleid om doelen en experimenten nauwkeurig te inspecteren en zichzelf de volgende vragen te stellen:

• Kan de opbrengst (de hoeveelheid verkregen product) worden verhoogd?
• Waarom zijn bepaalde reagentia of oplosmiddelen gebruikt? In het bovenstaande voorbeeld het giftige tolueen werd gebruikt omdat het een hoogkokend organisch oplosmiddel is dat geschikt is voor de hoge temperatuur die nodig is voor deze door warmte aangedreven transformatie. De gebruikte TBAB is een faseoverdrachtskatalysator waardoor de reactie sneller en met hogere opbrengsten kan plaatsvinden. Maar kan een meer goedaardig oplosmiddelsysteem worden gebruikt, of andere stappen die zijn genomen om het tempo en de opbrengst van het experiment te beïnvloeden?
• Hoeveel materialen zijn er nodig om het eindproduct te vormen — en door associatie, hoeveel komt er in het afval terecht? Bijvoorbeeld, scheikundigen kunnen de atoomeconomie (AE) van deze reactie bepalen. Een hoge AE betekent een duurzamer chemisch proces, terwijl een lage AE een proces met meer afval betekent. Deze stap wordt het bepalen van groene chemie-statistieken genoemd.

In het bovenstaande voorbeeld het Br-atoom en het TBAB zitten niet in het eindproduct. Ze komen in de afvalstroom terecht waardoor de experimentele AE van deze reactie afneemt. Bottom line:het is minder duurzaam.

Een groenere route

Met mijn collega's, Ik ontwikkel experimentele technieken die de principes en metrieken van groene chemie incorporeren en ook leiden tot een verhoogde interesse van studenten om kritisch naar hun laboratoriumwerk en de resultaten te kijken.

Een voorbeeld is een experiment dat studenten traint om microgolfondersteunde synthese te vergelijken met de traditionele kooktechniek (hierboven beschreven).

De leerlingen vinden dat deze route er consequent in slaagt om hetzelfde doelmolecuul te produceren als in het meer traditionele experiment:het leidt tot dezelfde synthese en is groener en gemakkelijker.

Onder de andere voordelen, deze methode heeft een reactietijd van vijf minuten, vergeleken met een uur koken, samen met een veel snellere reactie opwerken. Het gebruikt het meer goedaardige oplosmiddelmengsel van ethanol/water (tolueen is een neurotoxine en embryotoxine); het heeft een hogere opbrengst en een hogere AE, wat betekent dat er minder reactanten nodig zijn voor de gewenste synthese.

Atoom economie

Toen ik dit alternatieve experiment heb geleerd, Ik ontdekte dat studenten onmiddellijk het voordeel van de verhoogde opbrengst en het goedaardige oplosmiddelmengsel begrepen. En, de verhoogde AE ​​van de door microgolven ondersteunde route leidt tot belangrijke discussies.

Dit experiment illustreert de mogelijkheid om studenten te begeleiden bij het verkennen van de milieu-impact van de kleine toename van deze groene chemie-metriek. Docenten kunnen bespreken hoe een dergelijke aanpassing zou kunnen uitpakken in de toegepaste industriële chemie:bijvoorbeeld alleen in de VS, chemische bedrijven produceren momenteel tussen de 100, 000 tot 500, 000 pond TBAB als tussenproduct om de productie van andere verbindingen te vergemakkelijken.

Door deze ene verbinding uit een synthetische route te verwijderen, worden automatisch alle reagentia verwijderd, oplosmiddelen en energie bij de productie, en weggooien, datzelfde mengsel.

De leerling-chemicus leert dat een onderzoeksontwikkeling die leidt tot een toename van de atoomeconomie een diepgaande milieu-impact kan hebben in een industriële omgeving.

Om de mentaliteit van de chemische industrie te veranderen van economisch gedreven naar duurzaamheid gedreven, wetenschappers moeten nieuwe wetenschappelijke processen ontwikkelen die prioriteit geven aan milieuoverwegingen.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.