Hóa học xanh Chương 2: Xúc tác xanh

YÊU CẦU CỦA XÚC TÁC TRONG HÓA HỌC XANH2 ü Các chất phản ứng xúc tác làm giảm năng lượng của trạng thái chuyển tiếp, do đó làm giảm năng lượng đầu vào cần thiết cho một quá trình ü Các ch

Hiệu quả hơn và có lợi nhuận kinh tế?

YÊU CẦU CỦA XÚC TÁC TRONG HÓA HỌC XANH

2

ü Các chất phản ứng xúc tác làm giảm năng lượng

của trạng thái chuyển tiếp, do đó làm giảm năng lượng đầu vào cần thiết cho một quá trình

ü Các chất xúc tác được yêu cầu với số lượng nhỏ

ü Sự thu hồi và tái sử dụng của các chất xúc tác rất

tốt cho quá trình xanh

No

catalyst

With catalyst

4 Với chất xúc tác: Ít năng lượng, hóa chất ít độc hại hơn, ít

chất thải

5

E factor

ü Yếu tố E: Lượng thực tế của chất thải sản xuất

trong quá trình (tổng sản phẩm trừ nước) / kgsản phẩm

ü Một yếu tố E cao hơn à nhiều thải hơn à lớn

hơn về tác động tiêu cực với môi trường

ü Nói chung, các yếu tố E tăng đáng kể trên đi từ

tang số lượng lớn để tinh hóa chất, dược phẩm,

do qua nhiều bước tổng hợp + các tác chất cânbằng hóa học chứ không phải là chất xúc tác chosau này

For example:

ü Chất thải phát sinh trong sản xuất các hợp chất hữu cơ từ

các muối vô cơ ban đầu

ü Hậu quả của việc sử dụng các tác chất vô cơ cân bằng hóa

học

ü ví dụ: giảm cân bằng hóa học với kim loại (Na, Mg, Zn,

Fe) và các thuốc thử metal hydride (LiAlH4, NaBH4)

ü Quá trình oxy hóa với KMnO4, CrO3 / H2SO4

ü Sulfo hóa, nitro hóa, halogen hóa, diazohóa và acylhóa

Friedel-Crafts, sử dụng xúc tác là axit vô cơ (H2SO4, HF,

H3PO4) và Lewis axit (AlCl3, ZnCl2, BF3)

Chất thải tạo ra từ đâu?

Giải pháp làm giảm chất thải?

•Thay thế các phương pháp cân bằng hóa học cổ

điển với lựa chọn thay thế xúc tác sạch hơn

reagents

Atom efficiency / economy

No

catalyst

11 Atom efficiency / economy

12 Classical aromatic chemistry

13 Non-classical aromatic chemistry

Two ways to hydroquinone

10 kg waste (MnSO 4 , FeCl 2 , NaCl, Na 2 SO 4 ) / kg

< 1kg waste / kg

Supported catalyst

Solid supports: polymer or silica

• Ill-defined catalytic species

• Limited Range of Reactions

• Problems of Leaching

• Ease of Recycle

• Preferred Industrially

The ‘Holy Grail’: Immobilize a homogeneous

catalyst on an inert support to combine selectivity

with processability

Using solid catalyst

Ø ít chất thải

Ø Ít năng lượng tiêu thụ

Ø Nhiều khả năng tái chế và tái sử

dụng

Ø sản phẩm sạch hơn

Reused catalyst

19

Using homogeneous catalyst

Catalyst separation by column chromatography / distillation / extraction

kim loại độc hại

Ø dung môi độc hại

hơn tham gia

• Ill-defined catalytic species

• Limited Range of Reactions

• Problems of Leaching

• Ease of Recycle

• Preferred Industrially

The ‘Holy Grail’: Immobilize a homogeneous

catalyst on an inert support to combine selectivity

with processability

23 Homogeneous Friedel-Crafts acylation

24 Heterogeneous Friedel-Crafts acylation

25 Homogeneous synthesis of 2,6-

dichlorobenzonitrile

26 Heterogeneous synthesis of 2,6-

dichlorobenzonitrile – less waste

27

Catalyst

Soluble polymer-supported catalyst

•Temperature-dependent phase separation

• Solvent-dependent phase separation

• PEG: soluble in DMF, DCM but insoluble in

ether, iPrOH

31

¢ Enzymes / whole-cell biocatalysts

à catalyse organic reactions at

extremes of pressure, addition of

acceptable

¢ Conventional methods à require

highly acidic or basic media, high

energy input, toxic metals

32

Ø Một lĩnh vực mà các nhà hóa học hữu cơ vẫn

đang đấu tranh: đối xứng !!!

Ø Biocatalysts: chủ yếu phù hợp với quang học tinh

khiết từ đôi đối quang

Ø Cần thiết trong việc sản xuất các loại thuốc và

hóa chất nông nghiệp

Advantages of biocatalysis

Chemo-selectivity:

Ø nhóm chức hóa học nhạy cảm khác vẫn à tồn tại với enzyme

Ø điều kiện xúc tác sinh học à sạch hơn / xanh hơn

Ø Tránh phản ứng phụ à thuận lợi cho sự thanh lọc sản phẩm

Ø Enzyme à chỉ phản ứng trên một loại duy nhất của nhóm chức năng

35

CÂU HỎI TÌM HIỂU

Câu 1: Khái niệm về xúc tác, vai trò của xúc

tác trong các quá trình hóa học? Phân loại xúc tác?

Câu 2: Trình bày về xúc tác đồng thể, ưu và

nhược của loại xúc tác này?

Câu 3: Trình bày về xúc tác dị thể, ưu và

nhược của loại xúc tác này?

Câu 4: Xúc tác theo tiêu chí của hóa học xanh

so với xúc tác truyền thống có gì giống và khác nhau?

CÂU HỎI TÌM HIỂU

Câu 5: Bạn hãy lấy một xúc tác theo tiêu chí

của hóa học xanh, phân tích và chỉ ra các tiêu chí đó trong ví dụ minh họa cụ thể?

Câu 6: Bạn hãy lấy một xúc tác theo kiểu

tiêu chí đó trong ví dụ minh họa cụ thể?

Câu 7: Trình bày các phương pháp để đánh

giá xúc tác?

Câu 8: Trình bày các phương pháp để thay

đổi các giá trị E