oplosmiddelen hebben veel aandacht gekregen in het kader van green chemistry . Dit kan worden toegeschreven aan het grote volume oplosmiddel dat typisch wordt gebruikt in een reactie (vooral in de zuiveringsfase) of in een formulering . Desondanks is het oplosmiddel niet direct verantwoordelijk voor de samenstelling van een reactieproduct, noch is het het actieve bestanddeel van een formulering. Daarom lijkt het gebruik van giftige, ontvlambare of milieuschadelijke oplosmiddelen overbodig omdat deze eigenschappen geen invloed hebben op de functie of de voortgang van het systeem waarin het oplosmiddel wordt toegepast. Deze ongelukkige gevolgen van het gebruik van oplosmiddelen zijn echter vaak gekoppeld aan de gunstige eigenschappen van het oplosmiddel dat nodig is voor de toepassing. De vluchtigheid van oplosmiddelen maakt terugwinning en zuivering van het oplosmiddel door destillatie mogelijk, maar leidt ook tot ongewenste luchtemissies en het risico van blootstelling van werknemers. Amideoplosmiddelen hebben de hoge polariteit die nodig is om een brede waaier van substraten op te lossen en reacties te versnellen , maar deze functionaliteit impliceert vaak Reproductietoxiciteit . Aan de andere kant van de polariteitsschaal bieden koolwaterstofoplosmiddelen de mogelijkheid om oliën in extracties op te lossen en scheidingenuit te voeren , maar tegelijkertijd zijn ze zeer brandbaar en hun lage oplosbaarheid in water (hoge logP) is gekoppeld aan bioaccumulatie en aquatische toxiciteit .
bij pogingen om ongewenste oplosmiddelen te elimineren, zoeken vervangingsstrategieën vaak naar structureel verwante verbindingen die nog niet onder de wettelijke en bestuursrechtelijke maatregelen vallen die gewoonlijk nodig zijn om maatregelen op dit gebied te dwingen. Zo wordt benzeen, sinds zijn formele erkenning als kankerverwekkend in het midden van de twintigste eeuw, over het algemeen vervangen door tolueen . Ook het protocol van Montreal heeft het gebruik van tetrachloorkoolstof sinds 1989 beperkt vanwege zijn rol bij de afbraak van de ozonlaag . Meestal worden nu de gehalogeneerde oplosmiddelen chloroform en dichloormethaan (DCM) gebruikt. Het is belangrijk te benadrukken dat deze maatregelen kortzichtig zijn gebleken met betrekking tot de steeds strengere chemische controles wereldwijd. Tolueen wordt in feite verdacht van beschadiging van het ongeboren kind en van orgaanschade door langdurige blootstelling . Chloroform en DCM zijn waarschijnlijk kankerverwekkend voor de mens volgens de evaluaties van de Wereldgezondheidsorganisatie IARC . Bovendien is aangetoond dat DCM, zelfs als kortlevende gehalogeneerde stof, ook de ozonlaag aantast .
De Europese verordening betreffende de “Registratie, Evaluatie, autorisatie en beperking van chemische stoffen” (REACH) heeft beperkingen ingevoerd voor tolueen, chloroform en DCM onder specifieke voorwaarden (Tabel 1) . REACH is nu van invloed op de invoer en het gebruik van een breed scala aan chemische stoffen in Europa. Producten die niet aan de in REACH vastgestelde voorwaarden voldoen, worden uit de handel genomen via het informatiesysteem “rapid alert system for dangerous non-food products” (RAPEX). Om slechts een klein monster te nemen, in 2015 verboden producten hebben opgenomen lijm die tolueen , chloroform , of benzeen , en soms in alarmerend significante verhoudingen.
Vooruitblikkend naar een toekomstig Europees verbod op oplosmiddelen, worden kandidaat-chemische stoffen op een lijst van “substances of very high concern” (SVHC) geplaatst voordat REACH-beperkingen worden opgelegd . Met name voor gebruikers van oplosmiddelen zijn de amiden N,N-dimethylformamide (DMF), N,n-dimethylaceetamide (DMAc), en N-methylpyrrolidinon (NMP), evenals bepaalde hydroxyethers en gechloreerde oplosmiddelen onderzocht (Tabel 2). Oplosmiddelen die qua structuur vergelijkbaar zijn, kunnen gemakkelijk worden gebruikt als drop-in vervangingen, maar zullen waarschijnlijk veel van dezelfde milieu -, gezondheids-en veiligheidsproblemen (EHS) opleveren als in historische voorbeelden van oplosmiddelsubstitutie. Milieuagentschappen in andere regio ‘ s hebben hun eigen aanpak voor het reguleren van gevaarlijke chemische stoffen, waarbij oplosmiddelen sterk worden beïnvloed door hun vos-status en dus een hoog risico van blootstelling .
In een poging om oplosmiddelen te categoriseren met betrekking tot hun EHS-profielen, zijn oplosmiddelselectiegidsen opgesteld die meer informatie verschaffen dan de “zwart-wit” – conclusies van beoordelingen door de regelgeving. In het kader van deze evaluatie wordt de vervanging van conventionele organische oplosmiddelen door groenere, idealiter biogebaseerde organische oplosmiddelen met behulp van oplosmiddelselectie-instrumenten behandeld. De ontwikkeling van meer geavanceerde benaderingen van oplosmiddelsubstitutie die ook rekening houden met de prestaties van het oplosmiddel, of het ontwerp van op maat gemaakte oplosmiddelen voor een toepassing, zal ook worden bedoeld, maar vormen niet de basis van belangrijke discussie in de huidige werkzaamheden.
Defining green solvents
de vraag die Fischer en collega ‘ s van de ETH Zürich (ook bekend als het Zwitserse Federale Instituut voor technologie) in de titel van hun artikel uit 2007 stellen, is een fundamentele vraag; “Wat is een groen oplosmiddel” ? Hun antwoord is een inmiddels invloedrijke, tweedelige beoordeling van milieu, gezondheid en veiligheid (EHS) en energievraag (die kan worden beschouwd als een snelle LCA-type berekening). Door inzicht te krijgen in de energie die nodig is om een oplosmiddel te produceren en de opties die beschikbaar zijn aan het einde van de levensduur om een deel van die energie terug te winnen, kan de netto cumulatieve energievraag (CED) van oplosmiddelenproductie worden berekend. De terugwinning van energie kan worden bereikt door verbranding of door de vraag naar hulpbronnen te compenseren door het oplosmiddel te recyclen. De zuivering van het gebruikte oplosmiddel door destillatie is minder energie-intensief dan de productie van een equivalent volume nieuw oplosmiddel. Verbranding levert rechtstreeks energie op, maar vereist dat er meer oplosmiddel wordt geproduceerd.
de methode die de grotere reductie van GDB oplevert, is afhankelijk van het type oplosmiddel (Fig. 1). In Fig. 1 de energie die nodig is voor de productie van 1 kg oplosmiddel wordt weergegeven als staven met blauwe, vaste arcering. De energie om een oplosmiddel te distilleren in plaats van meer te produceren wordt weergegeven als de rood gestreepte staven. De bespaarde energie (distillatiekrediet) wordt hieronder weergegeven. Het verbrandingskrediet is de terugwinning van energie uit verbranding, waardoor een verminderd GDB overblijft, zoals aangegeven met groene stippelstaven. De meeste (maar niet alle) koolwaterstoffen worden het best verbrand volgens deze vereenvoudigde LCA-benadering (bijv., n-hexaan, maar niet tolueen). Hetzelfde geldt voor diethylether. De gefunctionaliseerde oplosmiddelen met langere productieroutes worden het best gerecycled om de energie en waarde te behouden die tijdens de oorspronkelijke synthese in het molecuul zijn geïnvesteerd (bijv. DMF). Voor ethanol zijn de voordelen zeer evenwichtig. Een nog gedetailleerdere beoordeling van de vraag naar energie bij de productie van oplosmiddelen is door dezelfde auteurs gepubliceerd .
de energievraag die gepaard gaat met de productie van vijf representatieve oplosmiddelen
het EHS-instrument dat partners zijn de beoordeling van het GDB is gratis verstrekt als een eenvoudig te gebruiken spreadsheet (.XLS) bestand . De methodologie wordt volledig bekendgemaakt (Fig. 2), en dus op voorwaarde dat de nodige gegevens beschikbaar zijn, kan het worden toegepast op elk oplosmiddel en elke combinatie van oplosmiddel gebruikt in een proces. De rangschikking is gebaseerd op risico-en gevarencodes en wettelijke blootstellingslimieten. Daarom moet een uitgebreid veiligheidsinformatieblad voldoende zijn om de groenheid van een oplosmiddel met behulp van deze aanpak te beoordelen. Voor vluchtige methylsiloxaanoplosmiddelen werd dit in een afzonderlijk werk geprobeerd . Sinds 2008 en de invoering van het Wereldwijd geharmoniseerd systeem (GHS), zoals toegepast door de Europese Verordening inzake indeling , etikettering en verpakking (CLP), moet deze methode echter worden herzien.
een voorbeeld van een ETH Zurich solvent ranking scale (fire/explosion category)
drie criteria in de drie EHS-categorieën worden gecombineerd om een numeriek ranking systeem te voltooien. Lagere scores wijzen op groenere oplosmiddelen (Fig. 3). Over het algemeen zijn de resultaten zoals verwacht van intuã tie, waarbij alcoholen en esters groener worden ervaren dan koolwaterstoffen, die op hun beurt betere scores hebben dan formaldehyde (5.6) en 1,4-dioxaan (5.0). Het gelijke gewicht van milieu -, gezondheids-en veiligheidskwesties zou kunnen worden besproken, want de reprotoxische DMF (3.7) registreert als groener dan peroxidevormende ether-oplosmiddelen zoals diethylether (3.9).
Environmental health and safety rankings for five representative solvents
Het combineren van de energievraag met de EHS-scores van oplosmiddelen geeft een groter beeld van de effecten van oplosmiddelen. Methylacetaat en alcoholoplosmiddelen zorgen voor een optimale balans tussen een laag energieverbruik en een gunstig EHS-profiel (Fig. 4). Andere nuttige informatie die naar voren komt, is de zeer grote energiebehoefte van de productie van tetrahydrofuraan (THF). Bij 270 MJ/kg, hoewel vervolgens in een volgende Publicatie naar beneden bijgesteld tot 170 MJ/kg , wordt destillatie van THF aanbevolen om het totale GDB te verlagen tot slechts 40,1 MJ/kg. Omgekeerd kan diethylether (met zijn lagere CED) het beste worden verbrand om het netto-energieverbruik tot een minimum te beperken. De gevolgen van verbranding met betrekking tot emissies in de atmosfeer vallen buiten het toepassingsgebied van deze beoordeling, maar moeten in de praktijk worden overwogen, met name voor stikstof-en zwavelhoudende oplosmiddelen die bij verbranding tot NOx-en SOx-emissies leiden .
kaart van EHS-en CED-waarden voor representatieve oplosmiddelen
langs een soortgelijke lijn hebben Slater en Savelski van de Universiteit van Rowan ook een middel ontwikkeld om een vergelijking tussen de verschillende oplosmiddelopties die beschikbaar zijn voor een proces . Ook zij hebben een spreadsheet geproduceerd die door iedereen vrij kan worden gebruikt . Voor elk oplosmiddel werd een index samengesteld uit 12 milieuparameters, met inbegrip van gezondheidsoverwegingen op het werk (acute toxiciteit, biologische afbraak, aardopwarmingsvermogen, enz.). Veiligheidsoverwegingen zoals vlampunt en peroxidevorming worden niet gebruikt als parameters voor de selectie van oplosmiddelen. Dit besluit kan worden gezien als een vergissing, op zijn minst als een afwijking van de EHS-benadering van de ETH Zürich. Een optelling van de parameters (passend geschaald met een door de gebruiker gedefinieerde weging) geeft een score tussen 0 (meest groen) en 10 (minst groen). Door rekening te houden met de hoeveelheid oplosmiddel die wordt gebruikt, kunnen processen worden vergeleken met de laagste oplosmiddelinslag. Deze benadering van de Rowan University werd gebruikt om routes naar sildenafil Citraat (het actieve ingrediënt in Viagra™) te beoordelen, wat laat zien hoe hun ’total process greenness index’ met een factor 400 daalde van het oorspronkelijke medicinale chemieproces tot de nieuwste commerciële route.
Op basis van deze methode werd ook een oplosmiddelselectietabel gemaakt die meer dan 60 oplosmiddelen bevat . De enige aandacht voor chronische toxiciteit is carcinogeniteit, en dus hebben reprotoxische oplosmiddelen zoals NMP een hogere waargenomen groenheid (d.w.z. 3,0 van de 10,0) dan wat zou kunnen worden verwacht (bijvoorbeeld 1-butanol scoort 4,6). Zoals geïllustreerd door het specifieke voorbeeld van koolwaterstofoplosmiddelen, biedt de Rowan University benadering een betere differentiatie tussen oplosmiddelen in vergelijking met de ETH Zürich tool (Fig. 5). In Fig. 5, de schalen van de ETH Zürich (links, 0-9) en Rowan University (rechts, 0-10) solvent greenness beoordelingen zijn weergegeven op een zodanige manier dat de scores voor ethanol zijn gelijk in grootte, in plaats van gelijk de Twee afhankelijke variabelen. Ethanol is opgenomen als benchmark omdat beide systemen het erover eens zijn dat het een groen oplosmiddel is (ethanol wordt niet voorgesteld als alternatief voor een koolwaterstofoplosmiddel). Terwijl de door ETH Zürich ontwikkelde aanpak geen zinvol onderscheid kan maken tussen de groenheid van de koolwaterstoffen, biedt de Rowan University assessment een grotere variatie in deze set. Bijgevolg worden cyclohexaan en n-heptaan groener geacht dan n-pentaan en n-hexaan, en neemt de groenheid van aromatische oplosmiddelen toe met methylgroepsubstitutie.
de groenheid van conventionele koolwaterstofoplosmiddelen ten opzichte van ethanol
Oplosmiddelselectie voor verkennende chemie
het algemene concept van het creëren van rankings van oplosmiddel groenheid heeft een andere richting binnen de chemische industrie. Met name de farmaceutische sector wil graag zijn eigen institutionele hiërarchieën van oplosmiddelgroenheid vaststellen sinds het besef dat het oplosmiddel het belangrijkste bestanddeel is van een typische reactie bij de vervaardiging van een actief farmaceutisch Ingrediënt . Als gevolg daarvan zijn procesoplosmiddelen verantwoordelijk voor het grootste deel van het energieverbruik, afval en de uitstoot van broeikasgassen . Dit maakt het minimaliseren van oplosmiddelgebruik en groenere substituties tot een prioriteit, en is vaak een gemakkelijk doelwit in groene chemie-initiatieven . Hoewel oplosmiddelloze chemie altijd van belang is geweest voor groene chemici , is het niet algemeen toepasbaar op de synthese van geneesmiddelen en andere fijne chemicaliën. Het oplosmiddel kan een diepgaande invloed hebben op de reactiesnelheid en de productselectiviteit , en de meer algemene voordelen van het gebruik van oplosmiddelen bij reacties mogen ook niet over het hoofd worden gezien. Oplosmiddelen werken als koellichaam en temperatuurregelaar, verlagen de viscositeit van het mengsel en verbeteren de massaoverdracht en maken selectieve extracties en scheidingen mogelijk .
Solvent selection tools vereisen niet altijd dat de gebruiker berekeningen uitvoert en numerieke rangschikkingssystemen vergelijkt. Alternatieve oplosmiddelen met lage toxiciteit, minimale veiligheidsrisico ‘ s en weinig impact op het milieu kunnen worden geselecteerd uit eenvoudige visuele hulpmiddelen . Zelfs mobiele telefoon apps zijn nu beschikbaar voor dit doel . Solvent selection guides ontworpen voor de kleinschalige chemie labs van de farmaceutische industrie hebben de neiging om lijsten van oplosmiddelen gerangschikt volgens bedrijfsgebruiksbeleid. Vergeleken met de ETH Zürich en Rowan University tools, is er een duidelijkere correlatie tussen de oplosmiddelen beperkt door regelgeving (tabellen 1 en 2) en de aanbevelingen van de farmaceutische industrie oplosmiddel selectie gidsen. Drie prominente gidsen ontwikkeld voor medicinale chemie zijn gecombineerd met het oog op vergelijking in dit werk (Fig. 6, 7). De kleurcodering is een universeel gebruikt ‘verkeerslicht’ – systeem, waarbij het commentaar op elk oplosmiddel specifiek is voor de voorwaarden die door elk bedrijf worden opgelegd. Dus waar Pfizer een oplosmiddel als ‘bruikbaar’ zou kunnen beschouwen, stelt GSK dat het ‘enkele problemen’ heeft en Sanofi stelt ‘substitutie aan te raden’ voor (bijvoorbeeld zoals het geval is voor tolueen). De figuren 6 en 7 zijn ingekort tot alleen oplosmiddelen met ten minste twee vermeldingen in de Pfizer, GSK en Sanofi MEDICINAL chemistry solvent selection guides. Een uitgebreide versie met alle oplosmiddelen in de drie gereedschappen wordt gepresenteerd als een extra bestand (extra bestand 1).
Unified version of general solvent selection guides for medicinal chemists (part 1)
Unified version of general solvent selection guides for medicinal chemists (part 2)
Pfizer publiceerden als eerste bedrijf hun hiërarchische gids voor de selectie van oplosmiddelen met kleurcode voor medicinale chemici . De tool is een eenvoudig document met de vermelding van oplosmiddelen als ‘voorkeur’,’ bruikbaar ‘of’ ongewenst ‘ (zie Fig. 6, 7; aanvullend bestand 1). Pfizer heeft prioriteit gegeven aan gebruiksvriendelijkheid bij het maken van deze gids voor de selectie van oplosmiddelen, al was het maar om chemici aan te moedigen het te gebruiken. Als gevolg hiervan zou kunnen worden aangenomen dat dit instrument beperkt en niet avontuurlijk is, maar door het bevorderen van kleine veranderingen die weinigen zouden vinden storend voor hun werk, een groot voordeel kan worden gevoeld bedrijfsbreed. Als aanvulling op de Pfizer solvent selection guide wordt een nuttige substitutiegids gegeven voor oplosmiddelen die als ongewenst worden beschouwd (Tabel 3). In deze begeleidende tool stellen zij DCM voor als vervanging voor andere gechloreerde oplosmiddelen in gevallen waarin een niet-gechloreerd oplosmiddel niet van toepassing is. Hoewel dit geenszins een ideale conclusie is, rapporteerde Pfizer door deze tool in hun medicinale chemische laboratoria te introduceren een vermindering van 50% van het gebruik van gechloreerde oplosmiddelen gedurende 2 jaar, en bereikte een vermindering van 97% van ongewenste ethers (vooral diisopropylether). Ze merkten ook een verhoogd gebruik van n-heptaan op in plaats van het neurotoxische n-hexaan en het meer vluchtige en ontvlambare n-pentaan. Daarom kan worden geconcludeerd dat door simpelweg het vergroten van het bewustzijn van oplosmiddelproblemen, het management bank chemici kan leiden naar groener oplosmiddelgebruik met de eenvoudigste oplosmiddelselectiehulpmiddelen.
GlaxoSmithKline (GSK) had al gidsen voor oplosmiddelselectie voor process chemists geproduceerd tegen de tijd dat de Pfizer medicinal chemistry tool werd gepubliceerd . GSK volgde vervolgens met een vereenvoudigde solvent selectie gids voor medicinale chemie laboratoria zelf, afgeleid van een bijgewerkte en uitgebreide solvent assessment . De methodologie is veelzijdiger dan de Pfizer-tool, met een gedetailleerde uitsplitsing van scores voor verschillende EHS-categorieën die gratis beschikbaar zijn als aanvullende informatie bij het hoofdartikel . Het ene opmerkelijke verschil tussen de Pfizer en GSK ratings van solvent greenness is voor methylethylketon (MEK), die de voorkeur heeft aan Pfizer, maar wordt geacht belangrijke kwesties voor GSK (Fig. 7). Ter verduidelijking, MEK heeft wel ernstige gevolgen voor het milieu , maar is veilig te hanteren met lage toxiciteit . Het contrast tussen de EHS-eigenschappen is waarschijnlijk de reden voor de verschillende interpretaties van de twee oplosmiddelselectiegidsen, waarbij de Pfizer-tool meer op gezondheid en veiligheid is gericht. De gegevens achter de GSK medicinal chemistry solvent selection guide worden ook gebruikt door procesontwikkelingswetenschappers, en omvatten bijgevolg meer omgevingsparameters.
meer recentelijk heeft Sanofi ook een gids voor de selectie van equivalente oplosmiddelen aangeboden . De tool is geëvolueerd van een vroege versie van de interne solvent Selection guide van het bedrijf, die oplosmiddelen verdeelde in een aanbevolen lijst en een substitutie lijst. Chemici die synthetische routes ontwikkelden moesten het gebruik van oplosmiddelen op de substitutielijst rechtvaardigen door aan te tonen dat alternatieven niet zo effectief werken. De substitutielijst was echter erg lang en onpraktisch, zoals door de auteurs werd gemeld . Daarom werd een nieuwe tool ontwikkeld, die een referentiekaart levert voor elk oplosmiddel dat nuttige eigenschappen bevat. Een oplossenselectietabel voor elke oplossingsklasse met een algemene aanbeveling voor elk oplosmiddel wordt aangevuld met de verwachte beperkingen en bijbehorende waarschuwingen voor gevaren. De Sanofi solvent selection guide bevat veel meer oplosmiddelen dan vermeld in de Pfizer en GSK medicinal chemistry tools. De algemene conclusie voor elk oplosmiddel is eerder in Fig ‘ s gegeven. 6 en 7 (voor een uitgebreide versie zie het extra bestand 1). De volgende gereduceerde dataset van enkel dipolaire aprotische oplosmiddelen toont het detail van de Sanofi solvent selection guide (Fig. 8). De bekende verkeerslichtkleurcodering wordt gebruikt, met extra indicatoren. De residuele oplosmiddelgrenzen voor geneesmiddelen volgens de Internationale Conferentie voor Harmonisatie (ich) worden gebruikt .
Sanofi solvent selection guide for selected dipolar aprotic solvents
het gebruik van wetgevende categorieën maakt de Sanofi solvent selection guide industrieel relevant, geleid door noodzaak boven elke persoonlijke perceptie van wat een groen oplosmiddel eigenlijk is. De algemene rangschikking en de opsomming van andere punten van zorg maken het instrument nuttig voor gebruikers in verkennende chemielaboratoria die mogelijk niet direct worden geconfronteerd met de wettelijke beperkingen van het gebruik van oplosmiddelen. Substitutie is vereist voor de amide-oplosmiddelen in Fig. 8, met acetonitril het enige aanbevolen oplosmiddel dat in plaats daarvan zou kunnen worden gebruikt. Het gebrek aan opties voor groene dipolaire aprotics is duidelijk, zelfs acetonitril wordt niet beschouwd als een groen oplosmiddel in andere oplosmiddel selectie gidsen . Voor reacties bij hogere temperaturen zouden dimethylsulfoxide (DMSO) en sulfolaan aanvaardbare opties kunnen zijn, hoewel substitutie wordt geadviseerd.
de gegevens verzameld uit de Pfizer, GSK en Sanofi solvent selection guidelines leiden tot een aantal conclusies. De groenste oplosmiddelen (d.w.z., die met drie groene schaduwrijke vermeldingen of twee groene vermeldingen en een blanco vermelding in vijgen. 6 en 7) zijn water, n-propylacetaat, I-propylacetaat, 1-butanol en 2-butanol. Deze set is ernstig beperkt, met alleen alcoholen en esters met naast water als over de hele linie erkend als groene oplosmiddelen. Deze conclusie is in overeenstemming met de ETH Zürich en Rowan University tools. Ook met betrekking tot de minst wenselijke oplosmiddelen kunnen conclusies worden getrokken. De volgende oplosmiddelen worden ondubbelzinnig als ongewenst beschouwd als ze niet al verboden zijn (d.w.z., ten minste twee rood of zwart gekleurde vermeldingen in vijgen. 6 en 7, geen gele of groene vermeldingen): chloroform, 1,2-DCE, tetrachloorkoolstof, NMP, DMF, DMAc, benzeen, hexaan, 1,4-dioxaan, 1,2-DME, diethylether en 2-methoxyethanol. Deze set sluit veel van de dipolaire aprotische, gechloreerde, koolwaterstof en ether oplosmiddelen. Chemici moeten voorzichtig zijn bij het gebruik van deze soorten oplosmiddel en rekening houden met de EHS implicaties van hun keuze. 2-Methyltetrahydrofuran (2-MeTHF) en tert-butylmethylether (TBME) hebben in dit opzicht de voorkeur boven THF en diethylether. Wanneer er binnen een oplosmiddelklasse geen groene opties zijn, is het duidelijk dat alleen onder ongebruikelijke omstandigheden een van de hierboven genoemde groene oplosmiddelen de rode of zwarte oplosmiddelen kan vervangen zonder dat het proces ingrijpend wordt geherstructureerd. Als extra complicatie worden de drie oplosmiddelselectiegidsen weergegeven in Fig ‘ s. 6 en 7 zijn het niet altijd eens. Acetonitril bereikt bijvoorbeeld een ander resultaat in elk van de oplosmiddelselectiegidsen.
Scoring solventen for greener chemistry
De eenvoudige drievoudige en kleurgecodeerde benadering van het categoriseren van solventen voor medicinale chemische doeleinden heeft het voordeel van een eenvoudige interpretatie, maar ten koste van het beperken van de diepte van de verstrekte informatie. Bij het ontwerpen van reacties op grotere schaal is meer informatie nodig over elk oplosmiddel, aangezien het proces is gericht op commerciële schaalproductie, waar eventuele zorgen over EHS-kwesties worden vergroot. GlaxoSmithKline (GSK) was het eerste farmaceutische bedrijf dat een oplosmiddelselectiegids publiceerde die bedoeld was voor gebruik in procesontwikkeling . In de oorspronkelijke presentatie heeft elk van de 35 aanbevolen oplosmiddelen een relatieve rangorde van 1 (ungreen) tot 10 (Groen) in vier categorieën Afval, Milieu-impact, gezondheid en veiligheid . Binnen elke categorie worden een aantal parameters in aanmerking genomen. De afvalcategorie omvat bijvoorbeeld verbranding, terugwinning van oplosmiddelen en biologische afvalverwerking. De eigenschappen van het oplosmiddel die van invloed zijn op de verbranding zijn de verbrandingswarmte, de mogelijkheid van HCl-of dioxinevorming of NOX – en SOX-emissies, en de oplosbaarheid in water (Fig. 9). Een volledige lijst van categorieën wordt gepresenteerd in het bijgevoegde aanvullende bestand (extra bestand 1). De aanpak werd later uitgebreid met een vijfde categorie over levenscyclusbeoordeling .
enkele eigenschappen die de afvalscore van oplosmiddelen in de GSK-oplossenselectiegidsen bepalen
na publicatie van hun medicinal chemistry solventselectiegids voegde GSK een nieuwe reactiviteit toe/stabiliteitsscore en wetgevende vlaggen om aan te geven waar controles bestaan voor het gebruik van oplosmiddelen . Een veel verkorte versie van de laatste GSK-indeling is verstrekt als Fig. 10, met alleen de dipolaire aprotische oplosmiddelen als voorbeeld van een moeilijk te vervangen klasse van oplosmiddel. De categorieën zijn Afval, Milieu-impact, gezondheid, ontvlambaarheid, reactiviteit en life cycle assessment (LCA). De wettelijke controles worden ook in de vorm van “vlaggen” in Fig. 10. Het scoresysteem benadrukt de veilige, maar toxische aard van de dipolaire aprotische oplosmiddelen. Vanwege het contrast tussen de afzonderlijke scores is dit soort gegevensrepresentatie nuttiger dan een enkele EHS-indicator. De ETH Zürich en Rowan University benaderingen kunnen in dit geval een misleidende ‘gemiddelde’ score opleveren. Het grotere detail van de gescheiden scores Lost ook de dubbelzinnigheid van de kleur gecodeerde drie niveaus beoordelingen in Fig ‘ s. 6 en 7.
Uittreksel van de GSK solvent selection guide (dipolar aprotic solvents)
de beslissingen die in de GSK tools worden genomen, zijn geen onbeweeglijke uitspraken, maar dynamisch en veranderend in het licht van nieuwe informatie en veranderende bedrijfsbeleid. De scores voor elk oplosmiddel zijn in de loop van de tijd veranderd . De door GSK gebruikte benadering maakt gebruik van het geometrisch gemiddelde van de eigenschappen die deel uitmaken van elke categorie om de numerieke schaal voor elke EHS-score vast te stellen. Een ondergrens en een bovengrens zijn zo gedefinieerd dat de schaal 1-10 niet te ver wordt uitgerekt door uitschieters, die de meeste oplosmiddelen in het midden van de schaal zouden klonteren (Fig. 11) . Dit betekent dat de EHS-scores afhankelijk zijn van welke oplosmiddelen zijn opgenomen in de beoordeling, die het risico loopt van een opzettelijk gecreëerde bias, en zal veranderen als nieuwe oplosmiddelen worden toegevoegd. Het voordeel van deze berekening is dat de uiteindelijke score anders niet subjectief is, en een nuttige spreiding van scores wordt verkregen van 1 tot 10.
normalisatie van GSK solvent selection guide scores
overige instellingen. De farmaceutische Rondetafelconferentie van het American Chemical Society (ACS) Green Chemistry Institute (GCI) werd in 2005 gestart en verenigt 14 partnerorganisaties met als doel gemeenschappelijke doelen en standaarden te stellen met betrekking tot groene chemie praktijken. Samen ontwikkelden ze een oplosmiddelselectiegids , waarbij ze gebruik maakten van de bekende numerieke scores en kleurcodering uit de GSK-oplosmiddelselectiegids en het ongepubliceerde AstraZeneca-equivalent . Het is ook omgezet in een mobiele telefoon app . Er is één gezondheids-en één veiligheidscategorie in de ACS GCI solvent selection guide, vergezeld van drie milieucriteria. De beoordeling voor de dipolaire aprotische oplosmiddelen wordt gepresenteerd als Fig. 12, het verstrekken van een vergelijking met eerdere solventselectie tabellen (Fig. 8, 10). Opmerking de score is omgekeerd in vergelijking met de GSK tool. Niettemin is de verdeling van de kleurcodering dezelfde, met de drie slechtst mogelijke scores (8, 9 en 10) rood gekleurd en de ideale scores (1, 2 en 3) groen. De overige opties zijn geel gekleurd. Inspectie van de volledige ACS GCI gids blijkt in het algemeen zijn er zeer weinig rode (dat wil zeggen, ungreen) scores , een feit dat wordt herhaald in Fig. 12 ook. Zwavelhoudende oplosmiddelen worden bestraft voor de SOX-emissies die bij verbranding ontstaan. Verschillende ether oplosmiddelen hebben slechte veiligheid of gezondheid scores, maar voor het grootste deel deze tool kan worden beschouwd als meer vergevingsgezind dan de GSK oplosmiddel selectie gids bijvoorbeeld. De gezondheidsscore lijkt bijvoorbeeld geen rekening te houden met chronische toxiciteit, wat een reden tot bezorgdheid is voor NMP, DMF en DMAc (Tabel 2). Het gebrek aan informatie achter de opdrachten in de ACS GCI solvent selection guide roept vragen op, maar dit is een veel voorkomende zorg en alleen volledig verlicht door de interactieve tools ontwikkeld door ETH Zürich en Rowan University, die zelf ook de gemeenschappelijke amide oplosmiddelen DMF, DMAc en NMP verkeerd voorstellen als groene oplosmiddelen.
Uittreksel van de ACS GCI solvent selection guide (dipolaire aprotische oplosmiddelen)
en ACS GCI tools, elk met een numerieke schaal afgeleid van verschillende parameters, maken het te moeilijk om deze verschillende aspecten in evenwicht te brengen en tot een stevige conclusie te komen. De drempelwaarden die de verschillende kleurgecodeerde scores bepalen, worden vastgesteld op basis van de voorkeur van de ontwerpers van de gids en zijn mogelijk niet consistent tussen instrumenten of relevant voor regelgeving. Een reactie hierop wordt gegeven in een recentere poging tot een gids voor de selectie van oplosmiddelen met meer nadruk op regulerende controles. Deze tool is gebouwd door wetenschappers van Sanofi, GSK, Pfizer, de Universiteit van York, en Charnwood consultants als onderdeel van een gezamenlijk onderzoeksproject bekend als de CHEM21, een publiek–private samenwerking in het kader van het innovative medicines initiative (IMI) . De methode voor het toekennen van groene oplosmiddelen is sterk afgeleid van het Global Harmonized System (GHS) of classification, labelling and packaging (CLP) van stoffen . De methodologie is openlijk beschikbaar als aanvullende informatie bij het artikel en kan naar wens worden gebruikt om de beoordeling uit te breiden en af te stemmen op nieuwe oplosmiddelen. Deze recente ontwikkeling laat dus een duidelijke evolutie zien van de ETH Zürich-tool, opnieuw gebaseerd op gevarencodes en de fysische eigenschappen van oplosmiddelen, maar bijgewerkt om te voldoen aan de meest recente chemische regelgeving. Een belangrijk verschil is dat de uiteindelijke rangschikking van elk oplosmiddel in de CHEM21-gids is afgeleid van zijn minst groene karakteristiek, niet een gemiddelde of som van niet-gerelateerde eigenschappen. De schaal heeft een bovengrens van tien als de slechtste score, maar in een wijziging van de vorige tools een score van zeven is nu gearceerd in rood. Bovendien wordt aan elk oplosmiddel een zin gekoppeld, zoals het geval is met de vereenvoudigde medicinale chemiesolventselectiegidsen van Pfizer, Sanofi en GSK. Dit betekent dat een gedetailleerd onderzoek van de tool is niet altijd nodig om het te gebruiken. Het nut en de nauwkeurigheid van deze samenvatting zijn echter twijfelachtig, aangezien het verantwoordelijke projectconsortium de data-led methodologie soms heeft overschreven. Dit is te zien voor acetonitril en DMSO in het volgende fragment van enkel dipolaire aprotische oplosmiddelen (Fig. 13). Dit benadrukt dat selectie van oplosmiddelen nooit een exacte wetenschap kan zijn, en een organisatorische voorkeur voor bepaalde oplosmiddelen zal elke aanwijzing beïnvloeden, net zoals de ervaring van een chemicus met oplosmiddelen in het verleden zijn eigen selectie van oplosmiddelen op persoonlijke basis heeft bepaald. Door een gids voor de selectie van oplosmiddelen op basis van ervaring en regelgeving af te leiden, kan deze tool het gebruik van oplosmiddelen echter afstemmen op de verwachte controles en beperkingen voor gevaarlijke chemische stoffen in de toekomst, waardoor de overgang naar groener gebruik van oplosmiddelen wordt vergemakkelijkt. Merk ook op dat de gezondheidsscores voor amideoplosmiddelen representatiever zijn voor hun reprotoxiciteit dan Gevonden in de ACS GCI solvent selection guide.
Uittreksel van de CHEM21 (conventionele) oplosmiddel selection guide (tweepolig aprotisch oplosmiddel alleen)
de Leden van de CHEM21 consortium afzonderlijk beoordeeld op de conclusies van de drie oplosmiddel selectie gidsen (GSK, AstraZeneca, ACS GCI) in een poging om een consensus dat later begeleidde de ontwikkeling van hun eigen gids zoals besproken hierboven . Elk instrument werd aangepast in een drievoudige beoordeling van de effecten op veiligheid, gezondheid en milieu. In dit werk wordt het resultaat van de CHEM21 survey of solvent selection guides aangevuld met de Sanofi en nieuwere CHEM21 solvent selection guides. Het totaal van vijf instrumenten kan worden gerangschikt in termen van de EHS triple category format, afgesloten met een algemene beoordeling. In Fig. 14, de kleurschakering is gebaseerd op die van de oorspronkelijke publicaties, met nummers verwijderd omdat de schalen onafhankelijk van elkaar zijn. De resultaten van de veiligheids -, gezondheids -, en milieu -, E-en e-categorieën en de algemene conclusie zijn toegewezen volgens de methodologie van het CHEM21-onderzoek voor de GSK -, AstraZeneca-en ACS-GCI-gidsen . Groene (G), gele (Y) en rode (R) vermeldingen in Fig. 14 als zodanig worden geëtiketteerd. Dit betekent wel dat er conflicten ontstaan tussen de oorspronkelijke instrumenten en de geharmoniseerde enquêteresultaten. Zo wordt nu geconcludeerd dat acetonitril problematisch is (gele categorie) binnen de GSK-gids en in het algemeen. Acetonitril werd echter in de oorspronkelijke GSK solvent selection guide in rood gekleurd en werd als belangrijk beschouwd. De informatie in de oorspronkelijke richtlijnen van Sanofi en CHEM21 voor de selectie van oplosmiddelen kan direct worden gebruikt omdat beide instrumenten een drievoudige EHS-beoordeling zijn met sowieso een algemene conclusie voor elk oplosmiddel. In het geval van de Sanofi solvent selection guide is voornamelijk de occupational health score gebruikt. Indien niet beschikbaar, werd in plaats daarvan de ich-concentratiegrens gebruikt voor de gezondheidscategorie. Alle herziene conclusies in de CHEM21-tool lijken rechts van de standaardconclusie te staan. Hier worden slechts de dipolaire aprotische oplosmiddelen vergeleken (vijg. 14), maar een volledige tabel wordt geleverd als een extra bestand (extra bestand 1).
vereenvoudigde milieu – (e) gezondheids – (H) en veiligheids – (S) rankings voor dipolaire aprotische oplosmiddelen
interpretatie Fig. 14, opnieuw is het duidelijk dat NMP, DMF en DMAc geen wenselijke oplosmiddelkeuzes zijn. De Hulpmiddelen die door AstraZeneca en ACS GCI worden ontwikkeld zijn minder hard in hun beoordeling, maar het is niet duidelijk waarom gegeven de reproductietoxiciteit van de amideoplosmiddelen. De methode waarmee de AstraZeneca-scores worden geconverteerd voor het onderzoek naar oplosmiddelselectiegidsen rates NMP als groener dan ethylacetaat . Dit wijst duidelijk op een inconsistentie tussen de AstraZeneca-benadering van de selectie van oplosmiddelen en bekende problemen met chronische toxiciteit, vooral omdat NMP een stof is die zeer zorgwekkend is vanwege beperkingen op het gebruik ervan in Europa . Ondanks zijn stabiliteitsproblemen bij hoge temperaturen lijkt DMSO een groener alternatief. Ook sulfolaan was eerder erkend als een betere oplosmiddelkeuze ten opzichte van de reprotoxische dipolaire aprotische oplosmiddelen . Sulfolaan krijgt drie groene kleurgecodeerde scores van Sanofi in haar EHS-beoordeling, maar krijgt alleen een algemene gele ranking, Wat ‘substitutie aan te raden’betekent. Dit komt omdat het een matig tot laag ICH-concentratiegrens heeft in farmaceutische producten (160 ppm) en verder wordt gestraft voor het hoge smeltpunt en het hoge kookpunt . In het algemeen wordt sulfolaan aanbevolen als oplosmiddel in de survey of solventselectie guides. Helaas wordt nu vermoed dat sulfolaan ook een reprotoxine is, een feit dat wordt weerspiegeld in de conclusies van de CHEM21 solvent selection guide (Fig. 13) . Alleen de meest recente veiligheidsinformatiebladen bevatten deze informatie en het is niet algemeen bekend op het moment van schrijven . Ondanks het feit dat het werd aanbevolen als alternatief oplosmiddel decennia voordat de oplosmiddelselectie gidsen van de farmaceutische industrie bestonden, is het ureumderivaat dimethylpropyleen ureum (DMPU) niet uitgegroeid tot een prominent groen oplosmiddel, maar kan het ook de moeite waard zijn om te overwegen voor bepaalde soorten chemie .
de bevindingen van het CHEM21 consortium in hun survey of solventselection guides werden gebruikt om een samenvatting op te stellen (Tabel 4) . Er werd niet altijd overeenstemming bereikt over de indeling van oplosmiddelen , waardoor tussencategorieën van “aanbevolen of problematisch” en “problematisch of gevaarlijk” werden ingevoerd. De onduidelijke positionering van sommige oplosmiddelen in deze hiërarchie is te wijten aan de verschillende interpretaties van wat het betekent om groen te zijn. Over het algemeen is het onderzoek zeer succesvol geweest in het bepalen van een reeks ideale oplosmiddelen. De diversiteit van de groenste oplosmiddelen is duidelijk beperkt en benadrukt dat nieuwe oplosmiddelen moeten worden ontworpen om vooral amiden, gechloreerde oplosmiddelen en koolwaterstoffen te vervangen. Het enige mogelijke groene alternatief voor amideoplosmiddelen is sulfolaan, maar zoals eerder besproken, zijn recentere beoordelingen minder positief (Fig. 13) .
het gebrek aan breedte aan de bestaande catalogus van groene oplosmiddelen wordt herhaald in een andere recente poging om verschillende oplosmiddelselectiegidsen samen te vatten . Hier worden slechts enkele zuren, alcoholen, esters en ethers (en sulfolaan) aangeduid als groen. De methodologie achter de beoordeling van Eastman et al. is gebaseerd op de GSK, Pfizer en Sanofi solvent selection guidelines, maar er werd geen verdere informatie verstrekt en daarom wordt het niet grondig onderzocht in het kader van dit werk .
bronnen van oplosmiddelen
een belangrijk probleem dat opvallend afwezig is in bijna alle oplosmiddelselectiegidsen is de oorsprong van elk oplosmiddel. De ETH Zürich-tool voor het berekenen van CED voor de productie van oplosmiddelen pakt dit direct aan , maar beperkt zich tot conventionele petrochemische oplosmiddelen . Voor beoordelingen over het onderwerp van biogebaseerde oplosmiddelen, zie de volgende referenties . Hernieuwbare grondstoffen moeten worden omarmd om de duurzaamheid van de chemische industrie te waarborgen . Oplosmiddelselectiegidsen zijn een essentieel onderdeel geworden in de poging om de groenheid van de fijne chemische industrie te verbeteren, maar er zijn weinig pogingen gedaan om de hernieuwbaarheid van oplosmiddelen te benadrukken of gewoon om oplosmiddelen van biologische oorsprong in deze gereedschappen op te nemen . Naast ethanol (dat nu voornamelijk wordt gemaakt van biomassa vanwege zijn energiegebruik) en DMSO (gemaakt door het oxideren van het dimethylsulfide bijproduct van houtpulpoperaties), is 2-MeTHF momenteel het enige gangbare voorbeeld van een neoterisch (wat structureel nieuw of onconventioneel betekent) biogebaseerd oplosmiddel dat wordt gebruikt in oplosmiddelselectiegidsen . Hoewel de overgrote meerderheid van de oplosmiddelen uit fossiele bronnen wordt geproduceerd, is elke vooruitgang in de selectie van groene oplosmiddelen kortzichtig, tenzij hernieuwbare oplosmiddelen op gelijke voet worden beschouwd. De onconventionele functionaliteit van neoterische oplosmiddelen kan dezelfde eigenschappen bieden als conventionele oplosmiddelen, maar vermijdt de nadelen van bekende chemische delen zoals de reprotoxische amiden . Let op: de algemene definitie van een neoterisch oplosmiddel strekt zich ook uit tot Ionische vloeistoffen , waterige oplosmiddelsystemen , superkritische vloeistoffen en afstembare oplosmiddelsystemen , zonder betrekking te hebben op de oorsprong van het oplosmiddel. Deze soorten oplosmiddel zijn echter nog niet gevonden in oplosmiddelselectiegidsen.
oplosmiddelselectiegidsen kunnen worden gewijzigd om na te gaan welke oplosmiddelen uit biomassa kunnen worden gemaakt en hoe realistisch een verandering van grondstof in biomassa is, door rekening te houden met eventuele technologische uitdagingen of economische belemmeringen. Om dit aan te tonen, de verzamelde solvent selectie gids bedacht door Prat et al. in Tabel 4 wordt een overzicht gegeven van de “survey of solventselectie guides”, die voor dit werk zijn onderverdeeld in categorieën van verschillende oplosmiddelbronnen (Tabel 5). De kolom met biogebaseerde oplosmiddelen bestaat uit oplosmiddelen die op grote schaal, zo niet uitsluitend, uit biomassa worden geproduceerd. Water is opgenomen als een bio-based oplosmiddel voor het gemak. De oplosmiddelen die in Tabel 5 zijn aangegeven als “kan op duurzame wijze worden gewonnen”, zijn op de markt verkrijgbaar, maar biomassa is niet de primaire grondstof. Oplosmiddelen met het potentieel om uit biomassa te worden geproduceerd, worden als zodanig toegewezen indien zij afkomstig zijn van: bio-methanol (of syngas), bio-ethanol (of bio-ethyleen), bio-azijnzuur, bio-1-butanol, bio-isobutanol (of bio-isobuteen) en bio-aceton (ook toepasbaar als potentiële voorloper van isopropanol) . Dit zijn allemaal zeer haalbare, daling van bio-gebaseerde substituten die passen in de bestaande solvent productieketens. Andere direct beschikbare chemische stoffen op biobasis, zoals glycerol, zijn niet vermeld omdat deze geen invloed hebben op de oplosmiddelen in Tabel 5. De ongewenste gechloreerde oplosmiddelen worden gegroepeerd met de oplosmiddelen die niet kunnen worden gemaakt van de voorgestelde bio-gebaseerde tussenproducten. Dit zijn niet noodzakelijkerwijs onrealistische biogebaseerde oplosmiddelen uit technologisch oogpunt (bijvoorbeeld chlorering van biogebaseerd methaan), maar er is geen prikkel voor leveranciers om gereguleerde kankerverwekkende oplosmiddelen te produceren en te distribueren uit hernieuwbare grondstoffen.
gecombineerd met GSK-gegevens over het gebruik van oplosmiddelen uit 2005, geeft Tabel 5 een slechte integratie van biogebaseerde oplosmiddelen in de farmaceutische industrie aan op dat moment. Hoewel het aangenaam is om een voorkeur te zien om heptaan in plaats van n-hexaan te gebruiken, en acetonitril in plaats van andere dipolaire aprotics, geen van beide is bio-gebaseerd. Ook tolueen en DCM worden vaak gebruikt in plaats van andere, nog gevaarlijker aromatische en gechloreerde oplosmiddelen, maar ook dit zijn niet-hernieuwbare oplosmiddelen onder toezicht van de regelgeving, zoals eerder besproken. Veel hiervan heeft te maken met het gebrek aan fysisch-chemische en EHS-gegevens voor nieuwe oplosmiddelen, en als zodanig een beperkt begrip van hun groenheid.
meer veelbelovend, recente papers documenteren procesontwikkelingsprocedures tonen een toegenomen gebruik van 2-MeTHF in grootschalige chemische synthese . Tabel 5 geeft wel aan dat er groenere oplosmiddelen beschikbaar zijn, en biogebaseerde oplosmiddelen zijn goed vertegenwoordigd in de categorieën “aanbevolen” en “tussen aanbevolen en problematische”. De direct beschikbare bio-gebaseerde oplosmiddelen neigen protic oplosmiddelen, maar ook esters, ketonen, en ethers te zijn. Dit laat een behoefte aan groene en hernieuwbare koolwaterstof oplosmiddelen en dipolaire aprotic oplosmiddel in het bijzonder. Niet vermeld in Tabel 5 zijn onconventionele routes naar biogebaseerde oplosmiddelen. Ontwikkelingen in de omzetting van biomassa in aromatische basischemicaliën en gespecialiseerde routes naar methylethylketon en acetonitril maken dat een steeds diverser aantal oplosmiddelen vooruitzichten heeft op een hernieuwbare grondstof.
twee onlangs gepubliceerde solventselectiegidsen bevatten nu onconventionele biogebaseerde oplosmiddelen, die binnen twee weken na elkaar online in het tijdschrift Green Chemistry zijn gepubliceerd . Deze instrumenten zijn niet ontworpen om de duurzaamheid van de oplosmiddelen te beschrijven, maar door biogebaseerde oplosmiddelen op gelijke voet met conventionele oplosmiddelen op te nemen, wordt enige welkome vooruitgang aangetoond. In de eerste plaats heeft het CHEM21 projectconsortium een tweede solventselectiegids opgesteld, gebaseerd op dezelfde GHS-geleide methodologie als voorheen (Fig. 13), maar nu toegepast op neoterische oplosmiddelen (Fig. 15) . Ook hier is een score van zeven rood gekleurd. Hoewel dit model in gelijke mate van toepassing is op alle oplosmiddelen, concludeert dit model vaak dat neoterische oplosmiddelen “problematisch” zijn omdat er onvoldoende toxicologische of ecologische gegevens beschikbaar zijn (dit is de standaardconclusie als er geen gegevens beschikbaar zijn, en blijkt uit de conclusies in Fig. 15). De auteurs van deze gids voor de selectie van oplosmiddelen moedigen leveranciers van oplosmiddelen aan om gegevens over hun producten te verzamelen en te publiceren, anders blijft het onbekende milieu – (E), gezondheid – (H) en veiligheidsprofiel van nieuwe oplosmiddelen een obstakel. Geruststellend zijn er slechts een klein aantal rood gekleurde scores in de gezondheids-en veiligheidscriteria van de onconventionele oplosmiddelen. Deze komen met name overeen met de veiligheid van de lage-vlampuntethers cyclopentylmethylether (CPME) en ethyl-tert-butylether (ETBE) en de gezondheidsscore van de reprotoxische tetrahydrofurfurylalcohol (THFA).
vereenvoudigde versie van de CHEM21 onconventionele solvent selection guide
oplosmiddelen met hoog kookpunt (>200 °C) een omgevingsscore met rode schaduw van ten minste zeven ontvangen. Dit is om technische redenen (verwijdering van oplosmiddelen, drogen van producten), maar in de veronderstelling dat destillatie van oplosmiddelen noodzakelijk is, wat niet altijd het geval kan zijn. Hoewel het een volkomen terechte zorg is, betekent het wel dat glycerol en andere goedaardige oplosmiddelen schadelijk blijken te zijn voor het milieu. Naast een aantal groene alcoholen en esters (waaronder het bifunctionele ethyllactaat) is tert-amylmethylether (TAME) geïdentificeerd als een geschikte vervanging voor minder wenselijke etheroplossingen. Ook dimethylcarbonaat scoort goed, maar ondanks de indeling in Fig. 15 acyclische carbonaten zijn niet polair genoeg om te worden beschouwd als een directe vervanging voor klassieke dipolaire aprotische oplosmiddelen. Hoewel p-cymeen als ‘problematisch’ wordt beschouwd, heeft het geen rood gekleurde scores en is het als hernieuwbare koolwaterstof goed geplaatst om tolueen en andere aromatische oplosmiddelen te vervangen . Cyclische carbonaten en Cyreen lijden bij de milieubeoordeling vanwege hun hoge kookpunten, maar bieden duidelijke gezondheidsvoordelen ten opzichte van klassieke dipolaire aprotische oplosmiddelen (Fig. 13). Geen van de voorgestelde onconventionele dipolaire aprotische oplosmiddelen heeft stikstof-of zwavelatomen die zouden leiden tot NOx-en SOx-luchtverontreiniging bij verbranding. Verder hebben cyclisch carbonaat en Cyreen geen bekende chronische toxiciteitsproblemen.
de tweede Gids Voor de selectie van oplosmiddelen om de dekking ervan uit te breiden tot neoterische oplosmiddelen is gebaseerd op een computationele similarity clustering van oplosmiddelen . De auteurs onthullen hun motivatie en zeggen: “bestaande oplosmiddelselectiegidsen geven alleen quasi-kwantitatieve informatie over oplosmiddelgroenheid”. In deze nieuwe benadering voor het ontwerpen van een gids voor de selectie van oplosmiddelen werden 151 oplosmiddelen beoordeeld en gegroepeerd op basis van hun fysisch-chemische eigenschappen. Deze omvatten smeltpunt, kookpunt, oppervlaktespanning, enz. Zodat de groenheid van de oplosmiddelen op een eerlijke gelijk-voor-gelijk basis kan worden gerangschikt, groepeerde een clusteranalyse gelijkaardige oplosmiddelen samen. Cluster 1 bestaat uit niet-polaire en vluchtige oplosmiddelen. Lichte alifatische en olefinische koolwaterstoffen, aromaten en gechloreerde oplosmiddelen zijn aanwezig in deze cluster. Minder vluchtige maar nog steeds niet-polaire oplosmiddelen vormen cluster 2 (met inbegrip van hydrofobe hogere koolwaterstoffen, bijvoorbeeld terpenen en lange keten alcoholen en esters). Cluster 3 bestaat uit polaire, meestal in water oplosbare oplosmiddelen. De oplosmiddelen in elke cluster werden vervolgens beoordeeld aan de hand van 15 criteria (Tabel 6). Als de gegevensverzameling onvolledig is, wordt het oplosmiddel beoordeeld aan de hand van lagere vereisten (betrouwbaarheidsniveaus genoemd). Hoe minder gegevens beschikbaar zijn om de groene beoordeling af te leiden, hoe minder vertrouwen de gebruiker kan zijn op de uiteindelijke ranking. Vooral voor onconventionele en nieuwe biogebaseerde oplosmiddelen ontbreken toxicologische gegevens. De ranking wordt uitgevoerd op een vergelijkende basis binnen een cluster, en scores kunnen niet worden vergeleken tussen clusters.
over het algemeen bevat cluster 1 de meest toxische oplosmiddelen. Gezien het feit dat diethylether het hoogst gerangschikte oplosmiddel in deze reeks is, is het duidelijk dat groenere alternatieven voor de huidige apolaire en vluchtige oplosmiddelen nodig zijn, of beter nog een verminderde afhankelijkheid van VOC-oplosmiddelen meer in het algemeen (diethylether is potentieel peroxide vorming met een zeer laag vlampunt). Cluster 2 bevat veel oplosmiddelen die niet voorkomen in andere oplosmiddelselectiegidsen, waaronder vetzuurmethylesters (FAMEs) en terpenen, die redelijk goed zijn in de beoordeling. Het zijn echter de lineaire petrochemische koolwaterstoffen (dodecaan, undecaan, heptaan) die worden gecategoriseerd als de groenste oplosmiddelen in cluster 2 bij het hoge betrouwbaarheidsniveau. Oplosmiddelen uit Cluster 3 zijn minder giftig voor het aquatische milieu en zijn vaker op biobasis dan de andere twee clusters. Behalve een paar gechloreerde oplosmiddelen bestaat cluster 3 meestal uit zeer polaire oplosmiddelen (water, glycerol, ethanol, acetonitril enz.).
hoe een gebrek aan gegevens de rangschikking van oplosmiddelen beïnvloedt kan worden aangetoond voor geselecteerde oplosmiddelen binnen cluster 2 (Fig. 16) . De Scores voor de rangschikking liggen tussen 1 en 0, maar alleen de relatieve positie van de oplosmiddelen wordt weergegeven in Fig. 16, als eerste de groenste van de 35 oplosmiddelen in cluster 2. Geen van de oplosmiddelen in cluster 2 heeft fotochemische ozon creation potential (POCP) gegevens, zodat de hoogste betrouwbaarheidsgroenheidsbeoordeling niet kon worden uitgevoerd. n-heptaan bevat bijvoorbeeld alle gegevens die nodig zijn om te worden gerangschikt op basis van het hoge betrouwbaarheidsniveau. Op de derde plaats wordt het beschouwd als groener dan methyllauraat (4e). Methyloleaat daarentegen kan in het beste geval worden gerangschikt op basis van het gemiddelde betrouwbaarheidsniveau. Bij vergelijking van methyloleaat met andere oplosmiddelen moet hetzelfde betrouwbaarheidsniveau worden gebruikt, en alleen voor cluster 2. Een drastische daling van de waargenomen groenheid treedt op voor n-heptaan bij het overstappen naar het gemiddelde en lage betrouwbaarheidsniveau, waar minder gegevens worden toegepast in de ranking (Fig. 16). In het algemeen maken conventionele alkanen en biogebaseerde koolwaterstoffen plaats voor Fame ‘ s bij het gemiddelde en lage betrouwbaarheidsniveau. Limoneen en p-cymeen zijn beter bestand tegen een daling in ranking, deels omdat ze hernieuwbaar zijn en dat is een van de vijf criteria die op het laagste betrouwbaarheidsniveau blijven. De tegenstrijdige interpretaties van n-heptaan, soms beschouwd in de top drie voor groenheid, maar soms in de onderste 2, benadrukt sterk dat data voorop staat. Er zijn meer kwaliteitsgegevens nodig voor minder gangbare oplosmiddelen, maar ook welke gegevens worden geselecteerd en gebruikt in een groenheidsbeoordeling is cruciaal. De aard van groene chemie als toegepaste discipline is tot op zekere hoogte afhankelijk van een oordeel. Dit betekent dat er geen consensus kan worden verwacht en dat er altijd ruimte blijft voor onenigheid.
geselecteerde oplosmiddelenranglijsten uit cluster 2 van de chemometrische solventselectiegids
De chemometrische benadering van clustering en rangschikking van oplosmiddelen heeft herhaald dat bepaalde soorten oplosmiddel hebben inherent ongewenste eigenschappen. Daarom is de selectie van oplosmiddelen op basis van een directe substitutie op basis van “like-for-like” restrictief. Alleen op basis van de bestaande catalogus van grotendeels conventionele oplosmiddelen is het niet mogelijk om voor elke toepassing een groen oplosmiddelsubstituut beschikbaar te hebben. Groene oplosmiddelen neigen om gelijkaardig te zijn (b.v., alcoholen en esters) en Zo kan een overvloed van groene oplosmiddelopties in sommige gebieden van oplosmiddelgebruik worden gevonden maar een wanhopige behoefte blijft in andere. Wat ook is aangetoond is dat de conclusies van een solvent selectie gids volledig kan worden omgekeerd, afhankelijk van welke gegevens worden gebruikt, wat zeker schade aan het vertrouwen in het gebruik van deze tools.