Den kemiska industrin har varit ansvarig för många tekniska framsteg, men också många miljöproblem och katastrofer. Principer som tillämpas genom det som kallas grön kemi försöker minska eller eliminera farliga ämnen i designen, tillverkning och användning av kemiska produkter.

Dessa principer är nu allmänt utropade som lösningen för att göra kemi till ett område som utvecklas mer hållbart. Dagens kemistudenter förväntar sig att utbildas med miljöpåverkan i åtanke. Kemiutbildningsforskaren Julie Haack vid University of Oregon konstaterar att laboratoriemetoder som leder till grönare resultat är avgörande för hur kemipedagoger utrustar kemister för idag och framtiden.

Som kemifakultetsmedlem och forskare inom grön kemiutbildning vid University of Winnipeg, med min kollega Michael Weibe har jag funnit att det finns flera fördelar med att utveckla nya experiment som inkluderar principerna och mätvärdena för grön kemi.

När eleverna tränar grön kemi, de lär sig att tänka kritiskt om den globala effekten av sitt område — och av en slump, de blir också passionerade när det gäller att noggrant studera principerna och teknikerna som är involverade i kemisk omvandling.

Genom att jämförelsevis introducera principerna och måtten för grön kemi för studenter, instruktörer kan inarbeta hänsyn till grön kemi principer och mått i blivande kemisters dagliga rutiner. De kan utmana kemister under utbildning att alltid leta efter alternativa vägar, och inspirera till meningsfull och målmedveten nyfikenhet.

Farliga kemikalier

Till exempel, i följande lektion, eleverna kan lära sig att en till synes liten utveckling i hur kemister väljer att syntetisera kemikalier skulle kunna innebära att man håller massvolymer av farliga kemikalier borta från avfallsströmmen på industriell nivå.

En reaktion som kallas en nukleofil aromatisk substitution är ett exempel på ett labbexperiment som studenter i organisk kemi i allmänhet kan utföra på ungefär en timme.

Bilden nedan är en schematisk representation av denna reaktion. Kemister som arbetar inom industrin kan göra denna syntes som ett av flera steg i att producera läkemedel, plast eller textilier.

I detta steg, bromet (Br) är helt enkelt ersatt med en organisk kväveförening (N).

Nu, miljöpåverkan från en reaktion som denna är vanligtvis inte själva målföreningen (2, 4-dinitro-N, N-dietylanilin). Snarare, de relaterade farorna är mer sannolikt reagenserna, lösningsmedel och energi som är nödvändiga för en framgångsrik omvandling. Detta experiment använder traditionellt toluen som lösningsmedel, som är giftig, och kräver en katalysator som kallas tetrabutylammoniumbromid (TBAB). Det finns också den energi som krävs för att koka toluen i en timme till en hög kokpunkt.

Överväg alternativen

I grundexamen i kemilabb, eleverna lär sig snabbt att utveckling av nya processer kräver en metodisk och engagerad arbetsmoral. Eleverna förstår att det kan ta den praktiserande kemisten månader eller år av tid att utveckla mindre farliga vägar till samma målmolekyler.

Att utveckla nya, mindre farligt, rutter kanske inte verkar varken praktiska eller möjliga, särskilt när studenter överväger förväntningar från externa faktorer som akademiska handledare eller arbetsgivare som kanske inte är engagerade i grön kemi.

Istället för att vara nöjd med framgångar från traditionella farliga metoder, alla kemister bör utbildas i att noggrant inspektera mål och experiment och ställa sig följande frågor:

• Kan utbytet (mängden erhållen produkt) ökas?
• Varför har särskilda reagenser eller lösningsmedel använts? I exemplet ovan, den giftiga toluenen användes eftersom det är ett högkokande organiskt lösningsmedel lämpligt för den höga temperatur som behövs för denna värmedrivna omvandling. Den använda TBAB är en fasöverföringskatalysator som gör att reaktionen kan ske snabbare och med högre utbyten. Men kan ett mer godartat lösningsmedelssystem användas, eller andra åtgärder som vidtagits för att påverka tempot och utbytet av experimentet?
• Hur mycket material behövs för att forma slutprodukten — och genom association, hur mycket hamnar i avfallet? Till exempel, kemister kan bestämma atomekonomin (AE) för denna reaktion. En hög AE betyder en mer hållbar kemisk process, medan en låg AE betyder en process med mer avfall. Detta steg kallas att bestämma gröna kemimått.

I exemplet ovan, Br-atomen och TBAB är inte i slutprodukten. De hamnar i avfallsströmmen vilket minskar den experimentella AE av denna reaktion. Sammanfattning:det är mindre hållbart.

En grönare väg

Med mina kollegor, Jag utvecklar experimentella tekniker som införlivar principerna och mätetal för grön kemi och som också leder till elevernas ökade intresse för att se kritiskt på sitt labbarbete och resultaten.

Ett exempel är ett experiment som lär eleverna att jämföra mikrovågsassisterad syntes med den traditionella kokningstekniken (beskriven ovan).

Eleverna upptäcker att denna väg genomgående är framgångsrik när det gäller att producera samma målmolekyl som i det mer traditionella experimentet:det leder till samma syntes och är grönare och enklare.

Bland de andra fördelarna, denna metod har en reaktionstid på fem minuter, jämfört med en timmes kokning, tillsammans med en mycket snabbare reaktionsupparbetning. Den använder den mer godartade lösningsmedelsblandningen av etanol/vatten (toluen är ett neurotoxin och embryotoxin); den har en högre avkastning och en högre AE, vilket betyder att färre reaktanter krävs för den önskade syntesen.

Atomekonomi

När jag har lärt ut detta alternativa experiment, Jag fann att eleverna omedelbart förstår fördelen med det ökade utbytet och godartade lösningsmedelsblandningar. Och, den ökade AE ​​av den mikrovågsstödda vägen sporrar viktiga diskussioner.

Detta experiment illustrerar möjligheten att vägleda eleverna att utforska miljöpåverkan av den lilla ökningen av detta gröna kemimått. Instruktörer kan diskutera hur en sådan justering skulle kunna se ut i tillämpad industriell kemi:till exempel, bara i USA, kemiföretag tillverkar för närvarande mellan 100, 000 till 500, 000 pounds av TBAB som en mellanprodukt för att underlätta produktionen av andra föreningar.

Att ta bort denna ena förening från en syntetisk väg tar automatiskt bort alla reagenser, lösningsmedel och energi för att producera, och kassera, samma förening.

Kemisten lär sig att en forskningsutveckling som leder till en ökning av atomekonomin kan ha en djupgående miljöpåverkan i en industriell miljö.

Att förändra den kemiska industrins tankesätt från att vara ekonomiskt driven till att vara hållbarhetsdriven, forskarna måste utveckla nya vetenskapliga processer som prioriterar miljöhänsyn.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.