Насколько зелена green chemistry
May. 24th, 2011 09:57 pm![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
andresolСегодня я хочу поставить под сомнение ценность проведения некоторых органических реакций в воде. Но для начала объясню, почему меня заинтересовал данный вопрос.
Как я недавно написал, в июле я поеду в Санта-Барбару на Graduate Research Seminar. Окончательная программа, кто и когда докладывается, еще не известна. Но у меня есть копия e-mail’a, посланного организаторами всем еще не названным участникам. Так в частности я вычислил Джоша и уже поговорил с ним в пятницу: если у меня есть e-mail'ы, то есть имена, а значит и возможность заочно познакомиться со статьями всех приглашенных аспирантов. Мне нравится поражать людей неожиданными познаниями в их научных проектах.
Первым по алфавиту стоял некто Александр Абела из группы Брюса Липшутца из самой Санта-Барбары. (Наверно, слегка обидно, когда конференция проходит в твоем же городе; это как в случае международных олимпиад по химии: кто-то едет в далекие экзотические страны, но кто-то отправляется на олимпиаду в Москву, как было в 1996 и 2007 годах). Получил он бакалавра в Стэнфорде в 2005 году, что весьма странно, так как на симпозиум приглашены аспиранты четвертого года, то есть начавшие PhD программу в 2007-ом. Чем он два года занимался? В армии служил?
Под руководством Липшутца и с помощью старших товарищей Александр опубликовал к настоящему времени 4 статьи (всякие приглашенные обзоры и обзорчики не считаются): две в Org. Lett.: раз, два; одну в Angewandte; и одну
в JACS’е.
Вот я решил все четыре в воскресенье прочитать. Химия на первый взгляд показалась не особо разнообразной (мои карбен-бораны со стороны не кажутся все на одно лицо), вращающейся вокруг биарильных сочетаний, катализируемых палладием. Вроде уже и Нобеля за них дали, а люди все продолжают копаться в деталях и оптимизировать уже переоптимизированное. По крайней мере, ссылки только на основные обзоры и непосредственно похожие статьи занимают немалую часть этих коротких публикаций. Они и сами быстро собрали по 30-40 цитирований, хотя я почти наверняка уверен, что это цитирования из серии «мы их работу не повторяли, но они тоже работают над C–H активацией арилмочевин».
Но вначале они изучали классическое сочетание Сузуки–Мияюры: арил галогенид + арил бороновая кислота.
Новая фишка заключалась в том, чтобы провести реакцию при комнатной температуре в воде. И если первая проблема была решена с помощью хитроумных катализаторов (не ими придуманных, да и сами катализаторы были подарены фирмой, а не синтезированы), то вот растворимость в воде была повышена внесением нейтральных амфифилов: молекул, состоящих из длинного полярного полиэтиленгликолевого хвоста, присобаченного к чему-нибудь липофильному. То есть реакция шла не совсем в воде, а в эмульсии: в мицеллах, образуемых амфифилом.
В общем, экспериментально работа несложная: сиди и гоняй многочисленные сочетания между коммерчески доступными исходниками в стеклянных пендюрках. В таких случаях я говорю: «Сколько нужно примеров, чтобы я поверил в реакцию? Достаточно одного хорошего примера». Они же расщедрились и на 20 и на 30 примеров, не всегда блещущих разнообразием. Наприиеер, две Org. Lett. статьи отличаются только тем, что в первой реакции проводятся с карбоциклическими арилами, а во второй в тех же условиях сквашиваются гетероциклические арилы. Оставим за скобками вопрос, многому ли научится аспирант на таком проекте, и перейдем непосредственно к заявленной «зелености» продемонстрированной химии.
В введении и выводах к статьям всячески подчеркивается, как это здорово, что реакция идет в воде, а не в противном вонючем органическом растворителе. Мол, они эти растворители составляют большую часть токсичных отходов, а сейчас реакция пошла в воде, и настало счастье. «Не так быстро», – заявляю я. Сама по себе идея перенести реакции в воду добавлением ПАВ интересная, хотя, наверняка, не новая, но к «зелености» и «экологичности» имеет настолько опосредованное отношение, что я бы о них умолчал.
Во-первых, насколько чиста такая вода после проведенной реакции? Не становится ли она сама токсичным отходом, который к тому же сложнее уничтожить или переработать, чем многие органические растворители.
Во-вторых, я абсолютно согласен, что львиную долю отходов составляют растворители (и еще силикагель). Но не те растворители, что используются для проведения реакций, а те, которые льются во время хроматографий, мойки посуды, экстракций. Это еще Карран подмечал: «Пишут, что химия зеленая-зеленая, реакция в 2 мл воды, а потом бух – и на колонке продукт выделяют, выливая по литру петролейного эфира и этилацетата». Вот рассматриваемые работы как раз классический пример того, что сэкономили 2 мл орг. растворителя на реакции, а потом потратили 500 мл на хроматографическую очистку.
В-третьих, я так и не понял, чем им не нравятся водно-органические среды. Раз уж все равно добавляют 2 весовых процента некоей органики, то почему бы не добавить 10% более дешевого этилового спирта. Реакция может пойти ничуть не хуже. Между прочим, в чистой воде они получили 75% конверсии против 96% с ПАВом. Так как выходы не проверяемы и принимаются на веру, то у меня возникают мысли, а нельзя ли поэкспериментировать с теми же катализатором и основанием, чтобы получить 100% конверсию в чистой воде.
В-четвертых, я бы постеснялся называть «зеленой» реакцию, в которой плавает палладий, 3 экв. триэтиламина (да на 2 мл воды у них 0.42 мл этого вонючего амина – очень «зеленая» химия в «воде»), а в последующих статьях по С–Н активации к ним добавляются ацетат серебра AgOAc (2 экв.), бензохинон (5 экв.) и даже тетрафтороборная кислота HBF4 (5 экв.). Растворитель тут далеко не самая опасная штука.
Кстати, те же катализаторы тоже надо синтезировать. Истинный енвайерменталист мыслит глобально и сравнивает: есть легко доступный и дешевый катализатор, выходы 80%, но надо греть при 120 oС, и есть дорогой катализатор, который надо синтезировать из первого в несколько стадий (со всеми соответствующими потерями и отходами), но выходы 95%, и реакция идет при комнатной температуре.
Так что меня эти постоянные ссылки на «зеленость» в научных статьях (а не в пресс-релизах) раздражают. Понятно, что хочется произвести впечатление на налогоплатильщиков, но Org. Lett. читают и решения по грантам принимают химики, а не фермеры из Оклахомы. Отсюда же идут «наномицеллы» вместо старых добрых мицелл. Да, все мы понимаем, что это только начало пути, и авторы жаждут выразить свои благородные помыслы как можно раньше, но я не разделяю их энтузиазма: в начале пути молчи – хвастаться будешь, когда доберешься до цели. Я тоже могу много чего рассказывать о «зелености» карбен-боранов, но чаще я предпочту честно сказать, что они представляют лишь академический интерес.
В промышленных масштабах все, конечно, по-другому. Хроматографию там не жалуют. Но сомневаюсь, что условия Липшутца будут широко применяться в будущем. Работа интересна как раз таки академической идеей, что ПАВ может ускорять реакции неполярной органики в полярных средах. Из нее в будущем может выйти практический толк, если уже где-нибудь не вышел.
Или я не прав и это замечательные прогрессивные статьи, истинные образчики «зеленой» химии?
Как я недавно написал, в июле я поеду в Санта-Барбару на Graduate Research Seminar. Окончательная программа, кто и когда докладывается, еще не известна. Но у меня есть копия e-mail’a, посланного организаторами всем еще не названным участникам. Так в частности я вычислил Джоша и уже поговорил с ним в пятницу: если у меня есть e-mail'ы, то есть имена, а значит и возможность заочно познакомиться со статьями всех приглашенных аспирантов. Мне нравится поражать людей неожиданными познаниями в их научных проектах.
Первым по алфавиту стоял некто Александр Абела из группы Брюса Липшутца из самой Санта-Барбары. (Наверно, слегка обидно, когда конференция проходит в твоем же городе; это как в случае международных олимпиад по химии: кто-то едет в далекие экзотические страны, но кто-то отправляется на олимпиаду в Москву, как было в 1996 и 2007 годах). Получил он бакалавра в Стэнфорде в 2005 году, что весьма странно, так как на симпозиум приглашены аспиранты четвертого года, то есть начавшие PhD программу в 2007-ом. Чем он два года занимался? В армии служил?
Под руководством Липшутца и с помощью старших товарищей Александр опубликовал к настоящему времени 4 статьи (всякие приглашенные обзоры и обзорчики не считаются): две в Org. Lett.: раз, два; одну в Angewandte; и одну
в JACS’е.
Вот я решил все четыре в воскресенье прочитать. Химия на первый взгляд показалась не особо разнообразной (мои карбен-бораны со стороны не кажутся все на одно лицо), вращающейся вокруг биарильных сочетаний, катализируемых палладием. Вроде уже и Нобеля за них дали, а люди все продолжают копаться в деталях и оптимизировать уже переоптимизированное. По крайней мере, ссылки только на основные обзоры и непосредственно похожие статьи занимают немалую часть этих коротких публикаций. Они и сами быстро собрали по 30-40 цитирований, хотя я почти наверняка уверен, что это цитирования из серии «мы их работу не повторяли, но они тоже работают над C–H активацией арилмочевин».
Но вначале они изучали классическое сочетание Сузуки–Мияюры: арил галогенид + арил бороновая кислота.
Новая фишка заключалась в том, чтобы провести реакцию при комнатной температуре в воде. И если первая проблема была решена с помощью хитроумных катализаторов (не ими придуманных, да и сами катализаторы были подарены фирмой, а не синтезированы), то вот растворимость в воде была повышена внесением нейтральных амфифилов: молекул, состоящих из длинного полярного полиэтиленгликолевого хвоста, присобаченного к чему-нибудь липофильному. То есть реакция шла не совсем в воде, а в эмульсии: в мицеллах, образуемых амфифилом.В общем, экспериментально работа несложная: сиди и гоняй многочисленные сочетания между коммерчески доступными исходниками в стеклянных пендюрках. В таких случаях я говорю: «Сколько нужно примеров, чтобы я поверил в реакцию? Достаточно одного хорошего примера». Они же расщедрились и на 20 и на 30 примеров, не всегда блещущих разнообразием. Наприиеер, две Org. Lett. статьи отличаются только тем, что в первой реакции проводятся с карбоциклическими арилами, а во второй в тех же условиях сквашиваются гетероциклические арилы. Оставим за скобками вопрос, многому ли научится аспирант на таком проекте, и перейдем непосредственно к заявленной «зелености» продемонстрированной химии.
В введении и выводах к статьям всячески подчеркивается, как это здорово, что реакция идет в воде, а не в противном вонючем органическом растворителе. Мол, они эти растворители составляют большую часть токсичных отходов, а сейчас реакция пошла в воде, и настало счастье. «Не так быстро», – заявляю я. Сама по себе идея перенести реакции в воду добавлением ПАВ интересная, хотя, наверняка, не новая, но к «зелености» и «экологичности» имеет настолько опосредованное отношение, что я бы о них умолчал.
Во-первых, насколько чиста такая вода после проведенной реакции? Не становится ли она сама токсичным отходом, который к тому же сложнее уничтожить или переработать, чем многие органические растворители.
Во-вторых, я абсолютно согласен, что львиную долю отходов составляют растворители (и еще силикагель). Но не те растворители, что используются для проведения реакций, а те, которые льются во время хроматографий, мойки посуды, экстракций. Это еще Карран подмечал: «Пишут, что химия зеленая-зеленая, реакция в 2 мл воды, а потом бух – и на колонке продукт выделяют, выливая по литру петролейного эфира и этилацетата». Вот рассматриваемые работы как раз классический пример того, что сэкономили 2 мл орг. растворителя на реакции, а потом потратили 500 мл на хроматографическую очистку.
В-третьих, я так и не понял, чем им не нравятся водно-органические среды. Раз уж все равно добавляют 2 весовых процента некоей органики, то почему бы не добавить 10% более дешевого этилового спирта. Реакция может пойти ничуть не хуже. Между прочим, в чистой воде они получили 75% конверсии против 96% с ПАВом. Так как выходы не проверяемы и принимаются на веру, то у меня возникают мысли, а нельзя ли поэкспериментировать с теми же катализатором и основанием, чтобы получить 100% конверсию в чистой воде.
В-четвертых, я бы постеснялся называть «зеленой» реакцию, в которой плавает палладий, 3 экв. триэтиламина (да на 2 мл воды у них 0.42 мл этого вонючего амина – очень «зеленая» химия в «воде»), а в последующих статьях по С–Н активации к ним добавляются ацетат серебра AgOAc (2 экв.), бензохинон (5 экв.) и даже тетрафтороборная кислота HBF4 (5 экв.). Растворитель тут далеко не самая опасная штука.
Кстати, те же катализаторы тоже надо синтезировать. Истинный енвайерменталист мыслит глобально и сравнивает: есть легко доступный и дешевый катализатор, выходы 80%, но надо греть при 120 oС, и есть дорогой катализатор, который надо синтезировать из первого в несколько стадий (со всеми соответствующими потерями и отходами), но выходы 95%, и реакция идет при комнатной температуре.
Так что меня эти постоянные ссылки на «зеленость» в научных статьях (а не в пресс-релизах) раздражают. Понятно, что хочется произвести впечатление на налогоплатильщиков, но Org. Lett. читают и решения по грантам принимают химики, а не фермеры из Оклахомы. Отсюда же идут «наномицеллы» вместо старых добрых мицелл. Да, все мы понимаем, что это только начало пути, и авторы жаждут выразить свои благородные помыслы как можно раньше, но я не разделяю их энтузиазма: в начале пути молчи – хвастаться будешь, когда доберешься до цели. Я тоже могу много чего рассказывать о «зелености» карбен-боранов, но чаще я предпочту честно сказать, что они представляют лишь академический интерес.
В промышленных масштабах все, конечно, по-другому. Хроматографию там не жалуют. Но сомневаюсь, что условия Липшутца будут широко применяться в будущем. Работа интересна как раз таки академической идеей, что ПАВ может ускорять реакции неполярной органики в полярных средах. Из нее в будущем может выйти практический толк, если уже где-нибудь не вышел.
Или я не прав и это замечательные прогрессивные статьи, истинные образчики «зеленой» химии?
![[identity profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/openid.png){kind=small}
no subject
Date: 2011-05-25 04:57 am (UTC)А касательно критерия "проведение реакции в воде" у меня совсем скептическое отношение. В Москве на производственной практике (синтез всяких смазок покрытий) активно используют именно органические легкокипящие растворители. Потому что затраты энергии на перегонку пяти тонн воды (для очистки) и, например, пяти кубометров дихлорметана несопоставимы. Да и техническая реализация схемы очистки гораздо проще. О растворимости органики в воде я вообще молчу.
no subject
Date: 2011-05-25 05:01 am (UTC)no subject
Date: 2011-05-25 05:43 am (UTC)В воде действительно многие реакции идут быстрее. Но потом все равно продукт надо из воды экстрагировать. Получается используем ту же органику, но в больших объемах + имеем кучу водных отходов. Ничего зеленого в такой технологии нет. И такое ощущение, что рецензенты в приличных журналах этого не понимают.
no subject
Date: 2011-05-25 05:48 am (UTC)no subject
Date: 2011-05-25 06:48 am (UTC)если пофантазировать: у компании есть деньги и мозги, они связались с профом, дали сэмплы и денег на студента, обрисовали идеал химии которые их сэмплы отстаивают ну и вперед :)
no subject
Date: 2011-05-25 01:20 pm (UTC)Главная же заявленная цель у фирмы - накормить людей синтетическим coenzyme Q10 (CoQ10). Я, кстати, читал интервью Липшутца, где он жалуется, что все знают о важности витамина С (и ссылается на сомнительную агитацию Полинга), но никто не говорит о важности жрать синтетиеческий CoQ10, чтобы жить долго.
no subject
Date: 2011-05-25 01:39 pm (UTC)тогда возникает логичный вопрос о необходимости упоминания о competing financial interests. И кстати, я только что посмотрел, ACS требует такого упоминания в своих ethics guidelines (стр 3, пункт 12: http://pubs.acs.org/userimages/ContentEditor/1218054468605/ethics.pdf,). Судя по тому, что в статье об этом ни слова, можно предположить, что авторы, помня о своей ответственности, упомянули об этом в cover letter. Но при желании, конечно, можно и придраться.
Большое спасибо за этот пост.
no subject
Date: 2011-05-25 03:24 pm (UTC)(10) (a) Precursors for the silyl tags and fluorous HPLC columns for the demixing
were purchased from Fluorous Technologies, Inc., www.fluorous.com. (b)
DPC owns an equity interest in this company.
Даже тогда, когда FTI напрямую не спонсирует исследования. Правило общее: упоминаешь название своей фирмы - добавь строчку о том, что это твоя фирма.
Но сейчас этот аспирант работает над С-Н активацией и полтора года ничего не публиковал. Думаю, что на конференции он эти первые статьи в Org. Lett. не будет упоминать, но посмотрим, и если что, спросим.
no subject
Date: 2011-05-25 02:04 pm (UTC)но едва ли что-то скоро поменяется. если уж отцы пишут про зеленую химию, то чего ждать от ребят попроще или совсем попроще - вроде китайцев. рецензент не поправил потому что у него у самого десять таких же статей, тут к гадалке не ходи
no subject
Date: 2011-05-25 03:14 pm (UTC)Спасибо за ссылку на эссе, сейчас прочитаю.
no subject
Date: 2011-05-25 07:09 pm (UTC)Возможно, потом по результатам дискуссии я сделаю апдейт, в том числе дам ссылку на эссе и приведу некоторые цитаты.
no subject
Date: 2011-05-26 12:47 am (UTC)Ценное и в воде тоже есть, для гипотетической реакции которую потом надо экстрагировать или кристаллизовать - даже и для нее все равно явным образом ставить лучше в воде а не пиридине нмп или дмф хотя они все и стоят в сущности копейки. все равно в воде приятнее будет, хотя и не зеленая ни разу химия, но смысл изучать есть.
Так же и с потеплением, если отбросить больных которые пишут про комплексы непосредственно в контексте парникового эффекта, то все равно чтобы бороться с потеплением надо сперва научиться СО2 фиксировать, а так как девать его потом толком некуда будет если все же научимся, то есть смысл заниматься рогатыми комплексами которые в перспективе что-то смогут делать с ним полезное. редко встретишь академическую статью в которой честно написано про академический интерес, но что делать.
А за последние лет 5 я наверное штуки 4 видел таких эссе, - мол, неправильно живем. со всеми согласен, но ничего не поменялось конечно. это мнение меньшинства, и оно идет вразрез с новыми трендами. Эссе процитировали 145 раз, но если эти статьи открыть (я открыл первые 5 думаю остальные в том же ключе) то будет ржака.
no subject
Date: 2011-05-25 07:11 pm (UTC)no subject
Date: 2011-05-26 05:43 pm (UTC)no subject
Date: 2011-05-27 04:47 am (UTC)no subject
Date: 2011-05-27 10:42 pm (UTC)no subject
Date: 2011-05-25 07:19 pm (UTC)Мы тут выше в комментах выясняли, что Org. Lett. статьи спонсировало не государство, а фирма самого Липшутца. Видать, это фирме потребовалась поддержка в виде настоящих научных статей, чтобы привлекать инвесторов. В статье, кстати, о подобном конфликте интересов ни слова.
В многостадийном академическом синтезе ни о какой green chemistry речь не идет. На последней стадии объемы такие, что всем пофиг, насколько растворители и реактивы ядовиты. Но да, это не добавляет популярности многочисленным методологическим статьям о реакциях в воде. Я бы вообще отдельно считал все цитирования и полезные цитирования (то есть те, где реакция была повторена). У многих статей по hot topics с общим цитированием в несколько десятков, полезное цитирование стремилось бы к нулю.
no subject
Date: 2011-05-25 10:49 pm (UTC)no subject
Date: 2011-05-25 07:21 pm (UTC)Там тоже приходят к очевидному выводу: “Thus, in many cases, a comparative analysis will conclude that an organic-solvent-based process is cheaper, easier, and ultimately environmentally more sound than a water-based organic reaction is.”
по теме
Date: 2011-05-26 12:08 pm (UTC)Re: по теме
Date: 2011-05-26 02:11 pm (UTC)Действительно, дискуссии как таковой у нас тут не произошло, так как все комментаторы проявили единомыслие и здравомыслие, которых не хватило рецензентам журнала Organic Letters. Получился еще один хороший пример того, что к любым научным статьям надо относится с должным скептицизмом.
no subject
Date: 2011-05-27 10:49 pm (UTC)no subject
Date: 2011-05-27 11:33 pm (UTC)no subject
Date: 2011-05-28 09:59 am (UTC)Использование триэтиламина в качестве растворителя - или его азеотропа с водой - упростило бы технологическую схему в настоящем производстве и в результате было бы гораздо зеленее, чем их водно-мицеллярная система.
И если уж говорить о совсем зеленой химии, то давайте вообще избавляться от растворителей - таким вот, к примеру, образом: Waste-Free Solid-State Organic Syntheses: Solvent-Free Alkylation, Heterocyclization, and Azo-Coupling Reactions (//www.springerlink.com/content/4v63014r60612244/).
P.S. Оказывается, я занимался зеленой химией до ее появления: еще будучи студенотм, окислительно галогенировал имидазопиридины и пиримидины.
При комнатной температуре в воде (С) - и без брома/хлора :-)
Растворял сырые гидробромиды, получившиеся из бромкетона с 2-аминоазином, в воде и добавлял H2O2 - и на следующий день фильтровал выпавшее бромпроизводное.
no subject
Date: 2011-05-28 11:40 pm (UTC)Что же касается реакций без растворителя в "мельницах", то это интересное направление, однако, требует развития собственной химии, так как многие реакции, вроде тех же палладиевых сочетаний, трудно заставить идти в твердой фазе.
no subject
Date: 2011-05-31 01:07 am (UTC)