Hóa học xanh Chương 1: Giới thiệu

CHUYÊN NGÀNH SILICATCHUYÊN NGÀNH SILICATCHUYÊN NGÀNH SILICATCHUYÊN NGÀNH SILICATCHUYÊN NGÀNH SILICATCHUYÊN NGÀNH SILICATCHUYÊN NGÀNH SILICATCHUYÊN NGÀNH SILICATCHUYÊN NGÀNH SILICATCHUYÊN NGÀNH SILICATCHUYÊN NGÀNH SILICATCHUYÊN NGÀNH SILICATCHUYÊN NGÀNH SILICATCHUYÊN NGÀNH SILICATCHUYÊN NGÀNH SILICATCHUYÊN NGÀNH SILICATCHUYÊN NGÀNH SILICATCHUYÊN NGÀNH SILICATCHUYÊN NGÀNH SILICATCHUYÊN NGÀNH SILICATCHUYÊN NGÀNH SILICATCHUYÊN NGÀNH SILICATCHUYÊN NGÀNH SILICAT

GREEN CHEMISTRY

MÔ TẢ HỌC PHẦN

– Các nguyên tắc của hóa học xanh: giới thiệu

về hhx, lịch sử phát triển hhx và 12 nguyên tắc

cơ bản của hhx.

MÔ TẢ HỌC PHẦN

– Xúc tác trong hóa học xanh: Khái niệm xúc tác, lịch sử phát triển xúc tác, các hệ xúc tác truyền thống, các hệ chất mang xúc tác (chất mang rắn, chất mang nano từ, chất mang polymer) và xúc tác sinh học.

MÔ TẢ HỌC PHẦN

– Dung môi nước trong hóa học xanh: Vai trò dung môi, đặc điểm dung môi nước, một số ứng dụng dung môi nước (trong tổng hợp, quá trình tách chiết) và hạn chế của dung môi nước.

MÔ TẢ HỌC PHẦN

– Dung môi chất lỏng ion trong hóa học xanh: Giới thiệu chất lỏng ion (cấu trúc, tính chất của chất lỏng ion, tổng hợp chất lỏng ion) và ứng dụng của dung môi chất lỏng ion (tổng hợp, tách chiết, các lĩnh vực khác).

MÔ TẢ HỌC PHẦN

– Dung môi CO2 trong hóa học xanh: Giới thiệu dung môi CO2 (đặc điểm, tính chất, điều chế) và ứng dụng của dung môi CO2 (tổng hợp, tách chiết, các lĩnh vực khác).

MÔ TẢ HỌC PHẦN

– Phương pháp mới trong hóa học xanh: Tổng hợp trong microwave (giới thiệu, ứng dụng microwave trong tổng hợp), tổng hợp trong Ultrasound (giới thiệu, ứng dụng ultrasound trong tổng hợp) và tổng hợp trong micro reactors.

MÔ TẢ HỌC PHẦN

– Nguyên liệu và năng lượng trong hóa học xanh: Nguyên liệu thân thiện môi trường (nguyên liệu dễ phân hủy, nguyên liệu có khả năng thu hồi) và các nguồn năng lượng xanh.

ĐÁNH GIÁ HỌC PHẦN

– Đánh giá quá trình:

+ Điểm thái độ học tập: 10%

+ Điểm tiểu luận: 20%

– Điểm thi kết thúc học phần: 70% (Tự luận, chương 1 – 7)

TÀI LIỆU HỌC TẬP

Tài liệu chính: Phan Thanh Sơn Nam, Hóa học xanh tập 1, Đại học

quốc gia Tp HCM, 2008

Tài liệu tham khảo:

[1] Mukesh Doble, Anil K Kruthiventi, Green chemistry and processes,

HÓA HỌC XANH

CHƯƠNG 4: DUNG MÔI CHẤT LỎNG ION TRONG HHX

CHƯƠNG 6: PHƯƠNG PHÁP MỚI TRONG HHX

CHƯƠNG 2: XÚC TÁC TRONG HHX

CHƯƠNG 5: DUNG MÔI CO 2 TRONG HHX

CHƯƠNG 3: DUNG MÔI NƯỚC TRONG HHX

CHƯƠNG 1: CÁC NGUYÊN TẮC TRONG HHX

CHƯƠNG 7: NGUYÊN LIỆU VÀ NĂNG LƯỢNG TRONG HHX

Chương 1: CÁC NGUYÊN TẮC TRONG HHX

1.1 KHÁI NIỆM HHX

1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HHX

Công nghiệp Hóa chất làm gì cho chúng ta?

1.1 Khái niệm HHX

Công nghiệp Hóa chất làm gì cho chúng ta?

1.1 Khái niệm HHX

Công nghiệp Hóa chất làm gì cho chúng ta?

1.1 Khái niệm HHX

Công nghiệp Hóa chất làm gì cho chúng ta?

1.1 Khái niệm HHX

Công nghiệp Hóa chất làm gì cho chúng ta?

1.1 Khái niệm HHX

Công nghiệp Hóa chất làm gì cho chúng ta?

1.1 Khái niệm HHX

Công nghiệp Hóa chất làm gì cho chúng ta?

1.1 Khái niệm HHX

Chemistry – những hậu quả để lại

1.1 Khái niệm HHX

Chemistry – những hậu quả để lại

1.1 Khái niệm HHX

Chemistry – những hậu quả để lại

1.1 Khái niệm HHX

Chemistry – những hậu quả để lại

1.1 Khái niệm HHX

Chemistry – những hậu quả để lại

1.1 Khái niệm HHX

12

Năng suất là không đủ !!!

– Năng suất = % số lượng tối đa có thể

có của sản phẩm – Nhưng !!!

– Bỏ qua phụ trợ (chất phản ứng, chất xúc tác, dung môi.v.v)

– Bỏ qua việc phát triển, làm sạch.

– Bỏ qua năng lượng sử dụng, tác hại nguy hiểm, độc hại hóa học.

1.1 Khái niệm HHX

Chemists are molecular designers:

they design and synthesize new

molecules and new materials

1.1 Khái niệm HHX

Molecular target selection

Screen to identified lead

SAR-potency-selectivity

Cellular efficacy

In vivo efficacy

Patent ADME Scale-up Formulation

Clinical

FDA Safety

From Concept to Pharmacy

1.1 Khái niệm HHX

Chemistry produces waste

and contributes to

environmental pollution

necessity of environmentally sustainable chemistry

GREEN CHEMISTRY

1.1 Khái niệm HHX

– Hóa học là không thể phủ nhận một phần rất nổi

bật của cuộc sống hàng ngày.

– Phát triển hóa học cũng đưa vấn đề môi trường mới và các hiệu ứng phụ không mong muốn có hại, dẫn đến sự cần dùng cho hóa chất "xanh hơn“.

Tại sao chúng ta cần Hóa học Xanh?

1.1 Khái niệm HHX

– HHX nhìn vào phòng ngừa ô nhiễm trên quy mô

phân tử và là một khu vực vô cùng quan trọng trong Hóa học do tầm quan trọng của Hóa học và những tác động có thể hiển thị trên môi trường.

1.1 Khái niệm HHX

– Chương trình HHX hỗ trợ các sáng chế của các

quá trình hóa thân thiện hơn với môi trường làm giảm hoặc thậm chí loại bỏ các thế hệ của các chất độc hại.

1.1 Khái niệm HHX

SHE issues critical

Yield chemical products

Environment

1.1 Khái niệm HHX

THE IDEAL SYNTHESIS

Atom efficient

Simple

100 % Yield

Available materials

– Thiết kế các sản phẩm hóa chất và các quá trình

để giảm hoặc loại bỏ việc

sử dụng hoặc tạo ra các chất độc hại

– Khám phá & ứng dụng của hóa học mới / công nghệ hàng đầu để phòng ngừa / giảm tác động đến sức khỏe & an toàn môi trường tại nguồn

1.1 Khái niệm HHX

1.1 Khái niệm HHX

HHX liên quan đến việc thiết kế các quá trình và sản phẩm hóa học trong đó việc sử dụng hoặc tạo ra các hóa chất độc hại được loại trừ hoàn toàn hoặc giảm đến mức

thấp nhất.

– Xử lý chất thải giảm thiểu tại nguồn

– Sử dụng chất xúc tác ở vị trí của tác chất

– Sử dụng hoá chất không độc hại

– Sử dụng tài nguyên tái tạo

– Cải thiện hiệu quả nguyên tử

– Sử dụng không dung môi hay hệ thống dung môi

có thể quay vòng trong môi trường

1.1 Khái niệm HHX

Các vấn đề của HHX?

• Green Chemistry is all about REDUCTIONS These reductions lead to what is known as "Triple

Bottom Line Benefits", a combination of

improvements This encourages businesses of

all kinds to go the green way.

1.1 Khái niệm HHX

1.1 Khái niệm HHX

Waste Materials Hazard

Environmental Impact

COST Risk

Energy

1.1 Khái niệm HHX

The term green chemistry was coined by PaulAnastas in 1991.

The green chemistry also called sustainable chemistry, is a philosophy of chemical research

and engineering that encourages the design ofproducts and processes that minimize the useand generation of hazardous substances

As a chemical philosophy, green chemistry can be applied

to synthetic chemistry, inorganic and organic chemistry,medicinal chemistry, biochemistry, analytical chemistry, andeven physical chemistry

1.2 Lịch sử của HHX

– 1999 Journal “Green Chemistry”

– Chemical & Engineering News

– 2001 Journal of Chemical Education

1.2 Lịch sử của HHX

1.3.1 Waste prevention

1.3.2 Atom Economy

1.3.3 Less Hazardous Chemical Synthesis

1.3.4 Designing Safer Chemicals

1.3.5 Safer Solvents and Auxiliaries

1.3.6 Design for Energy Efficiency

1.3.7 Use of Renewable Feedstocks

1.3.8 Reduce Derivatives

1.3.9 Catalysis

1.3.10 Design for Degradation

1.3.11 On-line analyis

1.3.12 Safer chemistry for accident prevention

(Paul Anastas & John Warner)

Design chemical syntheses to

prevent waste, leaving

no waste to treat or clean up

1.3.1 Waste prevention

Pollution Prevention Hierarchy

1.3.1 Waste prevention

“It is better to prevent waste than to

VD 1: Sản xuất adipic acid

– Mỗi năm cần khoảng 2 tỉ kilogram adipic acid để chế tạonilông, polyurethane (nhựa tổng hợp dùng để chế tạo rasơn), dầu nhờn, và chất tạo chất dẻo

– Cách thông thường để sản xuất adipic acid sử dụngnguyên liệu ban đầu benzen, một hóa chất có thể gây ungthư

– Trong qui trình mới theo đó sử dụng một vi khuẩn đã đượcbiến đổi gen gọi là chất xúc tác sinh học, đã thay thế benzenbằng đường glucô đơn giản

1.3.1 Waste prevention

VD 2:

– Pfizer là một trong những hãng dược phẩm hàng đầu thếgiới hưởng ứng trong trào hhx

+ Hãng đạt giải thưởng cho công nghệ hhx của Anh năm

2003 về cải tiến qui trình sản xuất sildenafil citrat (tênthương mại Viagra) theo tiêu chí hhx

1.3.1 Waste prevention

VD 2:

+ Hiệu suất của quy trình tăng gần 10 lần, từ hiệu suất banđầu khoảng 9,8% (năm 1990) đạt đến hiệu suất 82% (năm2004)

+ Lượng dung môi thải ra để tạo ra 1kg sildenafil citrat giảmgần 200 lần, từ 1.300 lít chỉ còn 7 lít dung môi Chỉ số môitrường E của qui trình xanh trong sản xuất Viagra là 6 (6kgchất thải/1kg sản phẩm), so với E bình thường của kỹ nghệhóa dược là từ 25 – 100

1.3.1 Waste prevention

VD 3:

– Năm 1990, hãng BASF bắt đầu sản xuất vitamin B2 bằngcách sử dụng nấm Ashbya gossypii Qui trình này áp dụngchất nền xanh không độc hại có nguồn gốc thực vật giúpsản xuất B2 chỉ còn một giai đoạn, chứ không phải tám giaiđoạn như trước Với hơn 1.000 tấn vitamin B2 mỗi năm,phương pháp xanh đã tiết kiệm được 40% chi phí sản xuất,giảm được 30% khí CO2 thoát ra và giảm được 96% chấtcặn bã

1.3.1 Waste prevention

Raw materials Product

High atom economy

Waste(by-products)

+

Raw materials Product

+Low atom economy

Synthetic methods should be designed to maximize the incorporation of all materials used in the process into the final product

“Waste not, we don’t want it!”

O

P

1.3.2 Atom Economy

Organic Chemistry & Percent Yield

Epoxidation of an alkene using a peroxyacid

OH

Cl +

O

100% yield

1.3.2 Atom Economy

Percent yield

Percent yield:

% yield = (actual yield/theoretical yield) x 100

What is missing?

What co-products are made?

How much waste is generated?

Is the waste benign waste?

Are the co-products benign and/or useable?

How much energy is required?

Are purification steps needed?

What solvents are used? (are they benign and/or reusable?

Is the “catalyst” truly a catalyst? (stoichiometric vs catalytic?)

1.3.2 Atom Economy

A.E of this reaction is 23%

77% of the products are waste

1.3.2 Atom Economy

Whenever practicable, synthetic methodologies

should be designed to use and generate substances

that possess little or no toxicity to human health and

P Designing products that are safe and non-toxic, preserving their function

1.3.3 Less Hazardous Chemical Synthesis

1.3.4 Designing Safer Chemicals

1.3.3 Less Hazardous Chemical Synthesis

1.3.4 Designing Safer Chemicals

– Chemicals are marked as a

+ Green circle ( ) - The chemical is safe to use and itdoes not cause any harm to human health andenvironment

Ex: citric acid

+ Green half-circle( )The chemical is expected to be oflow concern based on experimental and modeled data

Ex: Aspartic acid, Monosodium –D-glucoheptone

1.3.3 Less Hazardous Chemical Synthesis

1.3.4 Designing Safer Chemicals

+ Yellow triangle – ( )This chemical has some hazard issues

Ex: Terpinolene, Methyl benzoate

+ Grey square - ( )This chemical will not be acceptable for use in products

Ex: Bis(2-ethylhexyl) sodium sulfosuccinate and Benzyl alcohol (Flagged on 20/12/2013 for removal from list in 12 months)

VD 5:

– Trung tâm Kỹ thuật nhựa – cao su và đào tạo quản lý

năng lượng TP Hồ Chí Minh và Công ty Multibeauty vừa

giới thiệu nguyên liệu nhựa phân hủy sinh học - oxy hóa MD

- 6060 Nếu sử dụng loại nguyên liệu này để sản xuất các sản phẩm từ nhựa, thì chỉ khoảng 600 ngày sẽ được phân hủy hoàn toàn

1.3.3 Less Hazardous Chemical Synthesis

1.3.4 Designing Safer Chemicals

VD 5:

– Trong quá trình sản xuất các sản phẩm nhựa, chỉ cần

thêm 10% chất MD 6060 trộn với nhựa sẽ làm sản phẩm sau khi sử dụng tự động phân hủy thành CO2 và nước,

được vi sinh hấp thu, không ảnh hưởng đến môi trường tự nhiên, bởi không sản sinh ra các chất độc hại Kết quả đã được Trung tâm Ðo lường Chất lượng 1 Hà Nội kiểm

chứng

– Việc sử dụng chất MD - 6060 không làm ảnh hưởng đến tính năng của các sản phẩm nhựa, có thể tái chế sử dụng nhiều lần và thân thiện với môi trường

1.3.3 Less Hazardous Chemical Synthesis

1.3.4 Designing Safer Chemicals

1.3.5 Safer Solvents and Auxiliaries

The use of auxiliary substances (solvents, separation

agents, etc.) should be made unnecessary whenever

possible and, when used, innocuous

Organic solvents

Volatiles

Difficult to dispose Toxic

P Solvents should be natural, non-toxic, cheap, and readily available (green solvent)

P Solvent-less system, water-based reaction

P Using of supercritical fluid or ionic liquids

1.3.5 Safer Solvents and Auxiliaries

Energy requirements should be recognized for theirenvironmental and economic impacts and should be minimized.

O Energy consumption contributes to pollution

O Unutilized energy may also be considered awaste (à 1st principle)

P Reducing the energy barrier of the chemical reaction andincreasing its energy efficiency

P Reactions performed at room temperature

P Use of alternative energy sources as biofuels, solar power,wind power, hydro-power, geothermal energy and hydrogencells

1.3.6 Design for Energy Efficiency

A raw material or feedstock should be renewable rather than depleting whenever technically and economically practical

O 90-95% of the products we use (plastics,pharmaceuticals, energy) come from oil,

a not renewable resource

P A green chemistry approach provides theuse of renewable raw materials derivingfrom living organisms:

O A conventional chemical process involvesseveral manipulations to transform thestarting material to the desired product.

P Green chemistry approach provides todesign products in a simplified manneravoiding, whenever possible, theblocking group, protection/deprotection ortemporary modification ofphysical/chemical processes

Unnecessary derivatization should be avoided wheneverpossible

1.3.8 Reduce Derivatives

1.3.8 Use of Renewable Feedstocks

Catalytic reagents are superior to stoichiometric reagents

P Less feedstock

P Less waste

P Less energy consumption

P Catalysts improve theefficiency of reaction

1.3.9 Catalysis

Uncatalyzed

Catalyzed

Chemical products should be designed so that at the end of their function they do not persist in the environment and instead break down into

innocuous degradation products

P Avoiding certain chemical structures:

Analytical methodologies need to be further developed to allow for real-time in-process monitoring and control prior to the

formation of hazardous substances

P Real-time analysis is defined as theability to monitor a transformation andact immediately upon it to preventunwanted outcomes, by-productsformation and to save energy

It is the goal of green analytical chemistry to measurechemicals without generating waste

P

P Analytical procedure must be safer to human health and theenvironment

1.3.11 On-line analyis

CO 2 ra khí quyển

SỰ ẤM LÊN TOÀN CẦU

Substance and the form of a substance used in a chemical process should be chosen so as to minimize the potential for chemical accidents (releases, explosions, fires).

P The 12nd principle focuses on safety forthe worker and the surroundingcommunity where an industry/laboratoryresides

P When designing a process, it is best toavoid highly reactive chemicals that havepotential to result in accidents

O Chemical accidents are generally verydangerous and with harmfulconsequences

1.3.12 Safer chemistry for accident prevention

1.3.1 Phòng ngừa chất thải

1.3.2 Tiết kiệm nguyên tử

1.3.3 Sử dụng quá trình tổng hợp ít độc hại nhất 1.3.4 Thiết kế các hóa chất an toàn hơn

1.3.5 Sử dụng dung môi và chất trợ an toàn hơn 1.3.6 Thiết kế quá trình đạt hiệu quả năng lượng 1.3.7 Sử dụng nguyên liệu có khả năng tái tạo 1.3.8 Hạn chế quá trình tạo dẫn xuất

1.3.9 Sử dụng xúc tác

1.3.10 Thiết kế sản phẩm phân hủy được

1.3.11 Phân tích sản phẩm ngay trong qui trình 1.3.12 Hóa học an toàn và phòng ngừa tai nạn

(Paul Anastas & John Warner)

Condensed Principles of green chemistry

( Samantha Tang, Richard Smith and Martyn Poliakoff )

P – Prevent wastes

R – Renewable materials

O – Omit derivatization steps

D – Degradable chemical products

U – Use safe synthetic methods

C – Catalytic reagents

T – temperature, pressure ambient

I – In-process monitoring

V – Very few auxiliary substances

E – E-factor, maximize feed in product

L – Low toxicity of chemical products

Y – Yes, it is safe

Productively

!!!