Экологически чистые синтетические методы в химии (110

вано на возобновляемых природных ресурсах; 3) замена органических растворителей на экологически безвредные суперкритические жидкости, например, диоксид углерода (процессы полимеризации) или вода при высокой температуре и давлении (близкая к критическому состоянию); 4) замена обычных растворителей на ионные жидкости.

Полиэтиленгликоли (ПЭГ) HO-(CH2CH2O)n-H обладают характеристиками, которые обуславливают их широкое применение как экологически безвредных химических веществ. Вследствие практически полного отсутствия токсичности, данные полимеры входят в состав лекарственных форм, разрешенных к употреблению внутрь, косметических средств. По этой же причине составы на основе ПЭГ также используются в биотехнологии и медицинских исследованиях. Еще одним достоинством ПЭГ является легкая биоразлагаемость этих полимеров. ПЭГ доступны в широком диапазоне молекулярных масс от 200 до десятков тысяч. При комнатной температуре полимеры представляют собой вязкие малолетучие жидкости до М < 600, с большей молекулярной массой – воскоподобные твердые вещества. Жидкие ПЭГ неограниченно смешиваются с водой, высокая растворимость сохраняется и для твердых. Это дает возможность использовать ПЭГ с различной молекулярной массой, как в чистом виде, так и в композициях с водой или другими водорастворимыми растворителями. С другой стороны, несомненным преимуществом ПЭГ является их очень низкая цена и коммерческая доступность в больших количествах, что имеет существенное значение при проведении крупномасштабных синтезов. Следует также отметить, что при промышленном производстве полиэтиленгликолей какие-либо вредные и токсичные отходы отсутствуют.

В органической химии ПЭГ применяются в течение последних 20 лет. До недавнего времени ПЭГ в основном использовались как реакционная среда, обладающая катион-сольватирующей способностью, т.е. в качестве альтернативы краун-эфирам и другим катализаторам межфазного переноса, причем это было также обусловлено благоприятными экологическими свойствами полимеров (нетоксичность, биоразлагаемость). С развитием методологии комбинаторной химии полиэтиленгликоли стали применяться как жидкофазные растворимые подложки для связывания как реагентов, так и катализаторов. По данным характеристикам ПЭГ, если не превосходили, то, по крайней мере, не уступали твердофазным носителям, обладая при этом существенно более низкой стоимостью.

Однако наиболее перспективным и к настоящему времени практически не изученным является применение полиэтиленгликолей в качестве реакционной среды в синтезе гетероциклических соединений. Известны единичные примеры использования ПЭГ в реакциях Биджинелли, Пааля–Кнорра и некоторых других (схема 9), причем выбор полимеров ограничен только ПЭГ-400, реже ПЭГ-600. По сравнению с обычными (токсичными и легковоспламе-

11

няющимися) органическими растворителями в этих случаях, как правило, не требуются катализаторы, а выходы целевых продуктов – хорошие.

Схема 9

К экологически чистым растворителям принято относить также воду, Но, как бы это ни казалось противоречивым, вода не относится к самым «зеленым» растворителям. Растворимость соединений в воде обычно выше, чем, например, в СО2. В результате увеличивается риск загрязнения окружающей среды в случае выброса такой загрязненной воды в атмосферу (принцип 12). Тем не менее, множество химических превращений в рамках экологически чистых синтетических методов протекает в воде, например, синтез арилбензтиазолов (схема 10).

Схема 10

Еще одной, также решенной в незначительной степени проблемой является активация синтеза гетероциклических соединений микроволновым излучением в экологически чистых средах – комбинация трех принципов зеленой химии (принципы 2, 3, 6). В этом случае ПЭГ также имеет несомненные преимущества как относительно недорогой и нетоксичный растворитель. Кроме того, вследствие его низкой летучести, для проведения реакций не будет требоваться применения специальных микроволновых реакторов, как, например, при использовании воды в качестве реакционной среды.

Большие, во многом новые и необычные возможности открывает комбинированное использование в гетероциклическом синтезе микроволнового облучения, полиэтиленгликолей, а также их водных растворов, высокой температуры и давления. Комплексное исследование и разработка различных методов проведения синтеза гетероциклических соединений при активации в MW-реакторе существенно расширяет возможности методологии экологически чистой («зеленой») химии по снижению антропогенной нагрузки на окружающую среду. Использование микроволнового излучения часто позволяет превратить многостадийные реакции в one-pot процессы и исключить применение растворителей (схема 11).

12

Найдено, что варьирование условиями (температурой, длительностью и интенсивностью микроволновой активации) может приводить к изменению хемо- и региоселективности химических реакций (схема 12).

Что такое сверхкритический флюид? Вблизи критической точки на фазовой диаграмме свойства многих веществ кардинально меняются. Например, сверхкритическая вода может легко растворять многие неполярные органические вещества, нерастворимые в жидкой воде. Наиболее известные из сверхкритических жидкостей – это вода, углекислый газ, аммиак, пропан, азот.

СО2 уже сейчас активно используют в качестве растворителя (у него довольно низкая критическая точка). С его помощью экстрагируют кофеин из кофейных зерен. В Японии он довольно широко используется в прачеч- ных-химчистках вместо хлорсодержащих растворителей. В сверхкритическом СО2 можно проводить полимеризацию (он хорошо растворяет, например, фторированные углеводороды); синтез комплексов металлов.

13

В Великобритании уже запущен промышленный процесс селективного гидрирования изофорона в триметилциклогексанон на палладиевом катализаторе производительностью до 1000 тонн в год; в качестве растворителя используется сверхкритический СО2. В органическом синтезе сверхкритический СО2 используют, например, в реакциях Дильса–Альдера (схема 13).

Хорошо известно, что вещества могут находиться в твердом, жидком и газообразном состояниях. Но помимо них существует сверхкритическое состояние, в котором свойства жидкости и газа перестают различаться. Критической точке на диаграмме состояния вещества соответствуют предельная точка на кривой равновесия жидкости и пара (рис. 3).

Рис. 3. Диаграмма состояния СО2; линии отвечают равновесию между состояниями

14

Таким образом, сверхкритические жидкости – это газы, сжатые до такого состояния, что они почти становятся жидкостями, то есть их плотность приближается к плотности жидкости. В этом состоянии свойства веществ меняются по сравнению с жидким состоянием. Если сравнить параметры критической точки для различных веществ, видно, что для СО2 величины критических температуры и давления намного ниже, чем для воды (см. таблицу 2).

Для достижения сверхкритического состояния воды необходимо давление 218 атм и температура 374 °С. Для создания таких условий требуется специальное дорогостоящие оборудование. Достичь сверхкритического состояния диоксида углерода намного проще. Реакции в сверхкритическом СО2 можно проводить в автоклавах простого устройства, загружая туда сухой лед и реагенты. СО2 сам при испарении создаст нужные условия.

Кроме того, СО2 имеет некоторые преимущества по сравнению с водой

идругими соединениями:

•дешевизна;

•относительная нетоксичность;

•низкая вязкость;

•маленькая теплота испарения, что исключает перегрев;

•легкость выделения из реакционной среды в виде газа при сбросе давления.

Энергетические затраты при проведении реакции с использованием диоксида углерода в качестве растворителя значительно ниже, чем при использовании других растворителей. Так, если реакция проводится в воде, необходимо затратить большое количество энергии на ее выпаривание. Все эти преимущества сделали диоксид углерода привлекательным для промышленности реагентом, который широко используют.

15

Недавно описано использование сверхкритических углеводородов для проведения важных нефтехимических процессов. Например, каталитическая изомеризация н-бутана в изо-бутан эффективно протекает в сверхкритическом н-бутане; при этом стабильность работы катализатора и срок службы существенно возрастает, потому что сверхкритический растворитель эффективно очищает поверхность катализатора от образующейся сажи.

Ионные жидкости – это жидкие при нормальных температуре и давлении соли неорганических и органических кислот с объемными органическими основаниями. Как правило, они состоят из органических катионов (имидазолия, пиридиния, тетраалкиламмония, гуанидиния, тетраалкилфосфонаты) и неорганических анионов (галогениды, сульфаты, сульфанаты, фосфаты, тетрафторбораты, гексафторфосфаты и др.) и имеют относительно низкую температуру плавления (обычно ниже 100 °С). Обычно они нелетучи, негорючи, стабильны, обладают хорошими растворяющими свойствами и способны к регенерации. Подбором подходящей комбинации катиона и аниона можно в широких пределах регулировать свойства ионных растворителей: полярность, растворяющую способность, нуклеофильные и электрофильные свойства, и тем самым влиять на направление, глубину и селективность реакций.

Схема 14

Ионные жидкости используют в органическом синтезе (растворители и каталитические системы на их основе), электрохимии, экстракции, получении наночастиц, ферментном биокатализе. Как реакционная среда ионные жидкости применяются в реакциях алкилирования и ацилирования различных субстратов, ароматического нуклеофильного замещения, циклоприсое-

16

динения по Дильсу–Альдеру, в катализируемых переходными металлами процессах (гидрирование, гидроформилирование, арилирование винильных систем по Хеку). Выходы целевых продуктов, как правило, не ниже или даже выше, чем при проведении реакций в обычных растворителях. Кроме того, в некоторых случаях отмечена более высокая селективность реакций (хемо-, региоили стерео-). Еще одним достоинством ионных жидкостей является возможность их многократного применения без потери каких-либо свойств. Но, вследствие высокой растворяющей способности по отношению ко многим органическим соединениям, на стадии выделения продуктов необходимо применение экстракционных или дистилляционных методов.

Перспективным представляется использование ионных жидкостей как среды для разрушения токсичных органических соединений (полихлорированных углеводородов, диоксинов, пестицидов и т.д.).

Таким образом, нелетучие, невоспламеняющиеся и имеющие высокую термостабильность ионные жидкости обычно рассматриваются как экологически чистые растворители. Однако многие ионные жидкости обладают определенной токсичностью, особенно с полифторированными анионами, и, что наиболее существенно, не являются биоразлагаемыми. В последнее время предпринимаются попытки изменить их структуру с целью снизить экологически неблагоприятное воздействие этих факторов, но и в этих случаях остается нерешенной еще одна проблема – относительно высокая стоимость.

7-й принцип зеленой химии связан с использованием возобновляемых ресурсов вместо ископаемых. Сегодня ни для кого не секрет, что ископаемые ресурсы планеты исчерпываются. В связи с этим встает необходимость перехода к разработке экологически чистых синтетических методов в химии на основе ресурсов, запасы которых могут быть пополнены. Если говорить более строго, то к возобновляемым относят природные ресурсы, запасы которых или восстанавливаются быстрее, чем используются (или скорость их восстановления сравнима со скоростью расходования), или не зависят от того, используются они или нет. Сейчас основным источником углерода в химической промышленности являются ископаемые виды топлива – нефть, газ, уголь. При этом истощаются ресурсы Земли, стоимость углеводородов возрастает. Еще одна опасность – возрастающий парниковый эффект, изменение климата Земли. Обоих недостатков лишено производство химических продуктов из растительного сырья. Это возобновляемый ресурс или даже отходы (сельского хозяйства, бытовой мусор). Причем на основе растительного сырья можно получить богатую гамму продуктов. Самый простой пример – спирт из зерна. Этот процесс дешевле, чем производство этилового спирта окислением этилена. Если усовершенствовать этот процесс и снизить цену зернового спирта вдвое, то он станет выгодным сырьем для производства этилена и полиэтиленов. Такая схема позволит совершенно отказаться от использования нефти в качестве основного сырья для химической промышленности и перейти к возобновляе-

17

мым источникам сырья. На сегодняшний день основными видами «растительного» топлива, которого применяется для бензиновых двигателей, являются биодизель и биоэтанол. Последний производят из сахарной свеклы, пшеницы, кукурузы и сахарного тростника. В сущности, это обычный спирт, при изготовлении которого для нужд энергетики, конечно, существуют свои технологические особенности. В качестве автомобильного топлива этанол по некоторым параметрам превосходит бензин. В нем гораздо меньше примесей (например, серы), а октановое число по исследовательскому методу достигает 125 единиц. Однако заправлять большинство серийных автомобилей биоэтанолом в чистом виде пока нельзя. Поэтому этанол иногда используют как высокооктановую добавку в привычный бензин, а соответствующее топливо маркируют буквой Е, например, маркировка бензина Е10 (10 % этанола). Наибольшее распространение биотопливо получило в Бразилии, ископаемые запасы в которой невелики, а вот климат вполне способствует выращиванию растительного сырья. Еще одним преимуществом биотоплива считают сокращение выбросов парниковых газов. Конечно, это совсем не означает, что при сгорании биотоплива образуется меньше диоксида углерода. При сгорании биотоплива в атмосферу возвращается углерод, который ранее поглотили растения, поэтому углеродный баланс планеты остаётся неизменным. В то же время при сжигании ископаемого топлива «законсервированный» углерод поступает в атмосферу.

Важным возобновляемым сырьем являются лигноцеллюлоза (рис. 4) и крахмал, получаемые из биомассы растений. Превращение их в сахара открывает путь к ферментативной переработке сахара в органические кислоты (молочную, щавелевую, лимонную и др.), а это путь к огромному числу химических продуктов. Например, дегидратацией молочной кислоты можно получить акриловую, из нее ацетальдегид, этиленгликоль, тетрагидрофуран, пропандиол (схема 15). Но и сами органические кислоты являются важными продуктами. Например, полилактат – полимер, получаемый на основе молочной кислоты, – это превосходная упаковка для пищевых продуктов, которая за несколько недель разлагается в природе.

Рис. 4. Структурные фрагменты лигнина

18

Схема 15

Одним из ключевых направлений зеленой химии является катализ, поэтому он находит широкое применение в экологически чистых синтетических методах в химии. Действительно, опасные вещества, как правило, высоко реакционно-способны. Это делает их удобными реагентами при создании новых химических продуктов. Ведь для реакций таких веществ не требуется больших температур, давлений, а значит, энергия экономится. А если мы отказываемся от реакционно-способных веществ, а берем за основу менее реакционно-способные, мы увеличиваем энергозатраты, а это противоречит 6-му принципу энергетической эффективности.

Тут можно пойти двумя путями. Наиболее распространенный – использование катализатора (принцип 9), который снижает энергетический барьер реакции. Другое направление – использование локальных источников энергии для активации молекул (фотохимия, микроволновое излучение). Эти способы позволяют снизить затраты энергии.

Разработанные в последнее время каталитические процессы обладают очень высокой атомной эффективностью. Например, атомная эффективность окисления метанола до уксусной кислоты на родиевом катализаторе составляет 100 %.

Схема 16

Rh

CH3OH + CO CH3COOH

Можно провести сравнение атомной эффективности получения третбутиламина из изобутилена традиционным путем и каталитическим. В

классическом методе сначала получают (CH3)3CNHCNO (схема 5) обработкой изобутилена цианистым водородом, на второй стадии отщеплением му-

19

равьиной кислоты получают целевой продукт. Кроме крайне низкой атомной эффективности, традиционный процесс характеризуется использованием очень ядовитой синильной кислоты. Количество отходов возрастает, поскольку процесс идет в две стадии. В то же время возможен одностадийный процесс получения целевого продукта (схема 5) обработкой изобутилена аммиаком в присутствии цеолитного катализатора. Атомная эффективность в этом случае составляет 100 %.

Катализ развивается бурными темпами. Можно только упомянуть основные направления развития каталитической науки:

1)катализ наночастицами;

2)цеолиты и мезопористые катализаторы;

3)закрепление гомогенных катализаторов на носителе;

4)предотвращение потерь катализатора;

5)катализ энзимами (ферментами), в том числе закрепленными (гетерогенизированными).

Так, чрезвычайно разнообразны использования биокатализаторов –

ферментов. Это и кормовые добавки, и процессы пищевой промышленности (гидролиз некрахмальных полисахаридов, уменьшение вязкости растворов, увеличение выхода целевого продукта), в том числе производство пива, спирта, белковых гидролизатов: бета-глюканазы, целлюлазы, протеазы, амилазы, кератиназы; процессы текстильной промышленности (изменение свойств поверхности текстильных изделий), в том числе изготовление джинсовых изделий (удаление индиго), биополировка, удаление ворса, предотвращение пиллинга, облагораживание шерсти; процессы целлюлознобумажной промышленности (биоотбеливание пульпы, удаление тонеров и чернил при вторичной переработке бумаги/макулатуры); производство моющих средств (разрушение загрязнений, придание свежести тканям, предотвращение пиллинга).

В последнее время нитрование ароматических соединений стремятся проводить с использованием только азотной кислоты, а не ее смеси с серной, что снижает экологические риски. При этом найдено, что определенные сорта цеолитов в качестве катализаторов позволяют проводить процесс с высокой скоростью и селективностью. Сами же цеолиты – природные или синтетические глины – вполне экологичны, легко отделяются от реакционной среды и ре-

20