Grønne kemi-laboratorier lærer eleverne en bæredygtig og innovativ tankegang

Den kemiske industri har været ansvarlig for adskillige teknologiske fremskridt, men også mange miljøproblemer og katastrofer. Principper anvendt gennem det, der kaldes grøn kemi, søger at reducere eller eliminere farlige stoffer i designet, fremstilling og brug af kemiske produkter.

Disse principper er nu bredt udråbt som løsningen til at gøre kemi til et felt, der udvikler sig mere bæredygtigt. Nutidens kemistuderende forventer at blive uddannet med miljøpåvirkning i tankerne. Kemiuddannelsesforsker Julie Haack ved University of Oregon bemærker, at laboratoriemetoder, der fører til grønnere resultater, er afgørende for, hvordan kemiundervisere ruster kemikere til i dag og fremtiden.

Som medlem af kemifakultetet og forsker i grøn kemiuddannelse ved University of Winnipeg, sammen med min kollega Michael Weibe har jeg fundet ud af, at der er flere fordele ved at udvikle nye eksperimenter, der inkorporerer principperne og metrikken for grøn kemi.

Når eleverne træner grøn kemi, de lærer at tænke kritisk om den globale indvirkning af deres felt - og tilfældigt, de bliver også passionerede omkring at nærstudere de principper og teknikker, der er involveret i kemisk transformation.

Ved relativt at introducere principperne og målene for grøn kemi til studerende, instruktører kan indarbejde hensynet til grønne kemiprincipper og -metrikker i potentielle kemikeres daglige rutiner. De kan udfordre kemikere under uddannelse til altid at lede efter alternative ruter, og inspirere meningsfuld og målrettet nysgerrighed.

Farlige kemikalier

For eksempel, i den følgende lektion, studerende kan lære, at en tilsyneladende lille udvikling i, hvordan kemikere vælger at syntetisere kemikalier, kan betyde, at man holder massemængder af farlige kemikalier ude af affaldsstrømmen på industrielt niveau.

En reaktion kaldet en nukleofil aromatisk substitution er et eksempel på et laboratorieeksperiment, som studerende i organisk kemi generelt kan udføre på omkring en time.

På billedet nedenfor er en skematisk fremstilling af denne reaktion. Kemikere, der arbejder i industrien, kan udføre denne syntese som et af flere trin i fremstillingen af ​​lægemidler, plast eller tekstiler.

I dette trin, bromet (Br) er simpelthen substitueret med en organisk nitrogenforbindelse (N).

Nu, miljøpåvirkningen som følge af en reaktion som denne er normalt ikke selve målforbindelsen (2, 4-dinitro-N, N-diethylanilin). de relaterede farer er mere tilbøjelige til at være reagenserne, opløsningsmidler og energi, der er nødvendige for den vellykkede transformation. Dette eksperiment bruger traditionelt toluen som opløsningsmiddel, som er giftig, og kræver en katalysator kaldet tetrabutylammoniumbromid (TBAB). Der er også den nødvendige energi til at koge toluen i en time til et højt kogepunkt.

Overvej alternativerne

I bachelor-kemi-laboratorier, studerende lærer hurtigt, at udvikling af nye processer kræver en metodisk og engageret arbejdsmoral. Studerende forstår, at det kan tage den praktiserende kemiker måneder eller år at udvikle mindre farlige ruter til de samme målmolekyler.

Udvikling af nye, mindre farligt, ruter virker måske hverken praktiske eller mulige, især når studerende overvejer forventninger fra eksterne faktorer som akademiske vejledere eller arbejdsgivere, der måske ikke er forpligtet til grøn kemi.

I stedet for at være tilfreds med succeser fra traditionelle farlige metoder, alle kemikere bør trænes i at inspicere mål og eksperimenter nøje og stille sig selv følgende spørgsmål:

• Kunne udbyttet (mængden af ​​opnået produkt) øges?
• Hvorfor er der brugt særlige reagenser eller opløsningsmidler? I eksemplet ovenfor, den giftige toluen blev brugt, fordi det er et højtkogende organisk opløsningsmiddel, der passer til den høje temperatur, der er nødvendig for denne varmedrevne transformation. Den anvendte TBAB er en faseoverførselskatalysator, der gør det muligt for reaktionen at ske hurtigere og med højere udbytter. Men kunne et mere godartet opløsningsmiddelsystem bruges, eller andre skridt, der er taget for at påvirke tempoet og udbyttet af eksperimentet?
• Hvor mange materialer er nødvendige for at danne slutproduktet — og ved tilknytning, hvor meget ender i affald? For eksempel, kemikere kan bestemme atomøkonomien (AE) af denne reaktion. En høj AE betyder en mere bæredygtig kemisk proces, hvorimod en lav AE betyder en proces med mere spild. Dette trin kaldes at bestemme grønne kemi-metrikker.

I eksemplet ovenfor, Br-atomet og TBAB er ikke i slutproduktet. De ender i affaldsstrømmen, hvilket reducerer den eksperimentelle AE af denne reaktion. Nederste linje:det er mindre bæredygtigt.

En grønnere rute

Sammen med mine kolleger, Jeg udvikler eksperimentelle teknikker, der inkorporerer principperne og metrikerne for grøn kemi og også fører til elevernes øgede interesse for at se kritisk på deres laboratoriearbejde og resultaterne.

Et eksempel er et eksperiment, som træner eleverne i at sammenligne mikrobølgeassisteret syntese med den traditionelle kogeteknik (beskrevet ovenfor).

Studerende finder ud af, at denne rute konsekvent har succes med at producere det samme målmolekyle som i det mere traditionelle eksperiment:det fører til den samme syntese og er grønnere og lettere.

Blandt de andre fordele, denne metode har en reaktionstid på fem minutter, sammenlignet med en times kogning, sammen med en meget hurtigere reaktionsoparbejdning. Den bruger den mere godartede opløsningsmiddelblanding af ethanol/vand (toluen er et neurotoksin og embryotoksin); det har et højere udbytte og en højere AE, hvilket betyder, at der kræves færre reaktanter til den ønskede syntese.

Atom økonomi

Når jeg har undervist i dette alternative eksperiment, Jeg fandt ud af, at eleverne straks forstår fordelen ved det øgede udbytte og godartede opløsningsmiddelblanding. Og, den øgede AE ​​af den mikrobølge-assisterede rute ansporer til vigtige diskussioner.

Dette eksperiment illustrerer muligheden for at guide eleverne til at udforske miljøpåvirkningen af ​​den lille stigning i denne grønne kemi-metrik. Instruktører kan diskutere, hvordan en sådan justering kunne udspille sig i anvendt industriel kemi:f.eks. alene i USA, kemivirksomheder producerer i øjeblikket mellem 100, 000 til 500, 000 pund TBAB som mellemprodukt for at lette produktionen af ​​andre forbindelser.

Fjernelse af denne ene forbindelse fra en syntetisk rute fjerner automatisk alle reagenserne, opløsningsmidler og energi til at producere, og bortskaffelse, den samme forbindelse.

Den lærende kemiker erfarer, at en forskningsudvikling, der fører til en stigning i atomøkonomien, kan have en dybtgående miljøpåvirkning i industrielle omgivelser.

At ændre tankegangen i den kemiske industri fra at være økonomisk drevet til at være bæredygtighedsdrevet, forskere skal udvikle nye videnskabelige processer, der prioriterer miljøhensyn.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.