Hóa học xanh

Hóa học xanh là việc ứng dụng những kiến thức hóa học để giảm thiểu hoặc loại bỏ việc sử dụng hoặc tạo ra những chất độc hại trong quá trình lập kế hoạch, sản xuất và sử dụng hóa chất, nhằm giảm sự đe dọa tới sức khỏe của người vận hành và môi trường. Như vậy, mối quan tâm của hóa học xanh tập trung vào việc loại bỏ hoặc hạn chế sự sản sinh ra chất thải độc hại, chứ không tập trung vào việc xử lý các chất thải sinh ra.

Khái niệm hóa học xanh được Cathcart đưa ra vào năm 1990. Tuy nhiên, đến năm 1996 Anastas và Williamson mới đăng bài báo đầu tiên đưa ra những triết lý về hóa học xanh được công nhận đến ngày nay.

Nguyên tắc

Ngày nay có 12 nguyên tắc trong hóa học xanh được cộng đồng khoa học công nhận. Đó là:

1. Ngăn ngừa sự tạo thành chất thải: ngăn ngừa tạo ra chất thải tốt hơn là xử lý chất thải khi nó đã được tạo thành.
2. Kinh tế nguyên tử (atomic economy): các phương pháp tổng hợp hóa học cần được lập kế hoạch sao cho sản phẩm cuối cùng chứa nhiều chất ban đầu đưa vào phản ứng đến mức cao nhất có thể. Như vậy chất thải sẽ được hạn chế.
3. Tổng hợp hóa học an toàn: các phương pháp tổng hợp cần được thiết kế để sử dụng và tạo ra các chất có độc ít hoặc không độc với người vận hành và môi trường. Ở đây đặc biệt khuyến khích thay thế các dung môi độc hại bằng các dung môi ít độc hoặc không độc.
4. Thiết kế các hóa chất an toàn: đặc biệt cần quan tâm đến độc tính của các hóa chất được thiết kế. Các hóa chất này cần đáp ứng các yêu cầu của nó nhưng cũng cần có độc tính thấp nhất có thể.
5. Sử dụng các dung môi và các chất phụ trợ an toàn: tránh sử dụng dung môi và các tác chất khác nếu có thể. Nếu bắt buộc phải dùng thì những chất này phải không độc hại.
6. Sử dụng hiệu quả năng lượng: tránh sử dụng nhiệt độ và áp suất cao cho phản ứng.
7. Sử dụng các nguyên liệu có thể tái thu hồi: nên sử dụng các nguyên liệu có thể thu hồi được sau phản ứng thay cho các nguyên liệu không thu hồi được.
8. Hạn chế số bước (công đoạn) trong quá trình phản ứng vì chúng đòi hỏi thêm tác nhân và tạo thêm chất thải.
9. Sử dụng chất xúc tác: sử dụng các chất xúc tác, đặc biệt các chất xúc tác có tính chọn lọc cao sẽ tốt hơn sử dụng các tác chất theo đương lượng.
10. Thiết kế sự phân hủy tác chất sau phản ứng: sau phản ứng các chất cần được phân hủy thành những chất không độc hại và không tồn tại bền vững trong môi trường.
11. Áp dụng các phương pháp phân tích thời gian thực để theo dõi tránh tạo thành các chất độc hại.
12. Tránh xảy ra tai nạn: hóa chất cũng như cách sử dụng chúng trong một quá trình hóa học cần được lựa chọn sao cho hạn chế tối thiểu tai nạn tiềm tàng như rò rỉ, nổ, cháy nhằm đảm bảo an toàn vận hành và môi trường.

Năm 2014 Prat và cộng sự đã phân loại các dung môi theo độ độc tăng dần như sau:

• Dung môi khuyên dùng: nước, ethanol, isopropanol, n-butanol, ethyl acetate, isopropyl acetate, butyl acetate, anisol, sulfolane.

• Dung môi cũng khuyên dùng nhưng lưu ý: methanol, tert-butanol, benzyl alcohol, ethylene glycol, acetone, butanone, methyl isobutyl xeton, cyclohexanone, methyl acetate, acetic acid, acetic anhydride.

• Dung môi có vấn đề: 2-methyltetrahydrofuran, heptan, methylcyclohexane, toluene, xylene, clorobenzen, acetonitrile, dimethyl sulfoxide.

• Dung môi có vấn đề hoặc độc hại: methyl tert-butyl ether, tetrahydrofuran, cyclohexan, dicloromethane, acid formic, pyridine.

• Dung môi độc hại: diisopropyl ether, 1,4-dioxane, dimethoxyethane, pentan, hexan, N,N’ -dimethylformamide, N,N’ -dimethylacetamide, methyl pyrrolidone, methoxyethanol, triethanolamine.

• Dung môi rất độc hại: diethyl ether, benzen, chloroform, tetracloruacarbon, dichloroethane, nitromethane.

Lĩnh vực

Một số lĩnh vực nghiên cứu chính của hóa học xanh được liệt kê dưới đây.

Kim loại

Phát triển phương pháp hiệu quả và đa dạng sử dụng các kim loại rẻ tiền, dễ kiếm là một lĩnh vực của hóa học xanh.

Các kim loại chuyển tiếp làm xúc tác cho các phản ứng liên kết chéo (crosscoupling) được ứng dụng rộng rãi trong công ngiệp dược cả trong hóa dược và sản xuất thuốc. Một trong những lĩnh vực nghiên cứu của hóa học xanh là tìm kiếm các phương pháp thay thế các xúc tác đắt tiền, khó kiếm, độc hại bằng các kim loại rẻ tiền hơn, dễ kiếm và thân thiện với môi trường.

Ví dụ: trong quy trình nâng cấp phản ứng Suzuki để sản xuất chất ức chế Pi3K.GDC-0941 sử dụng xúc tác Ni và Pd như sau:

Phương pháp B (sử dụng Ni): hiệu suất cao hơn 19%, xúc tác Ni dễ tách khỏi hỗn hợp phản ứng bằng cách rửa với ammoniac trong nước, trong khi Pd cần một loại nhựa tổng hợp để tách ra sau phản ứng. Ngoài ra, phương pháp Ni dễ dàng nâng quy mô lên đến 54 kg/mẻ.

Hydro hóa

Hydro hóa bất đối các chất olephin/ enamin/ imin là một lĩnh vực khác của hóa học xanh.

Ví dụ: phản ứng amin hóa khử trực tiếp nhóm β-keto ester sử dụng xúc tác phức chất Ruthenium Ru-DM-SEGPHOS với sự có mặt của một muối ammonium để tạo thành chất β-aminoester tương ứng với độ chọn lọc đồng phân đối quang rất cao. Từ một β-ketoamid thu được sitagliptin một dược chất theo một phản ứng phỏng sinh học với độ chọn lọc đồng phân đối quang tới 99,5% ee:

Gần đây quá trình tổng hợp hóa học xanh những hạt nano kim loại sử dụng nguyên liệu thực vật đã được thực hiện có kết quả và đóng góp quan trọng vào công nghệ nano xanh. Công nghiệp y dược sử dụng bạc và nano bạc trong nhiều lĩnh vực như kem bôi chống nhiễm trùng do bỏng và vết thương hở, dụng cụ y tế, những mảnh cấy phủ bạc trên polymer, chất dẫn thuốc, cảm biến sinh hóa, chất kháng khuẩn. Ví dụ: tổng hợp nano bạc có cỡ hạt 26nm từ dung dịch muối bạc trong nước với dịch chiết lá cây rau mùi làm tác nhân khử hóa, hoặc dịch chiết lá cây Jatropha, cây cà độc dược, lá cây thuộc họ cam quýt.

Các lĩnh vực khác

Các lĩnh vực nghiên cứu, ứng dụng khác của hóa học xanh như hoạt hóa liên kết CH aliphatic và aromatic sử dụng tác nhân oxy hóa xanh, khử hóa nhóm amide không dùng LiAlH4 và diboran, phản ứng thế trực tiếp vào các ancol, phản ứng Wittig, sử dụng chất lỏng ion làm dung môi, thay thế các dung môi chứa halogen, vv.

Tài liệu tham khảo

• Sandesh R. Tetgure et al., Green biochemistry approach for synthesis of silver and gold nanoparticles using Ficus racemosa latex and their pH dependent binding study with different amino acids using UV/Vis absorption spectroscopy, Amino Acids 47, 757-765, 2015.
• Marian C. Bryan et al., Key Green Chemistry research areas from a pharmaceutical manufacturers' perspective revisited, Green Chemistry, 20, 5082-5103, 2018.
• Bianca Aparecida de Marco et al., Evolution of green chemistry and its multidimensional impacts: A review, Saudi Pharmaceutical Journal 27, 1-8, 2019.