Εφαρμογή Αρχών της Πράσινης Χημείας στη Σύνθεση ΟργανικώνΕνώσεων με τη Χρήση Μικροκυματικής Ακτινοβολίας

Αρχές Πράσινης Χημείας

Ο όρος Πράσινη Χημεία όπως ορίστηκε στις αρχές της δεκαετίας του ‘90, είναι η εφαρμογή μιας σειράς από αρχές που μειώνουν ή εξαλείφουν τη χρήση ή παραγωγή επικίνδυνων ουσιών στο σχεδιασμό, παραγωγή και χρήση χημικών προϊόντων.1 Η ιδέα της Πράσινης Χημείας συμπυκνώνεται σε 12 αρχές, μεταξύ των οποίων η ελαχιστοποίηση των αποβλήτων, ο σχεδιασμός ενεργειακά αποδοτικών διεργασιών, η χρήση αντιδραστηρίων και διαλυτών φιλικών προς το περιβάλλον, η χρησιμοποίηση ανανεώσιμων πρώτων υλών, κ.ά.2
Η Πράσινη Χημεία διαφέρει από τις διάφορες ιστορικές προσεγγίσεις στην προστασία του περιβάλλοντος με ποικίλους τρόπους καθώς :
• προλαμβάνει τα προβλήματα πριν αυτά δημιουργηθούν μέσω προληπτικών προσεγγίσεων
• αναλογίζεται τυχόν μελλοντικές επιπτώσεις ήδη από το στάδιο του σχεδιασμού των προϊόντων
• παρέχει περιβαλλοντικές βελτιώσεις σε όλα τα στάδια του κύκλου ζωής των προϊόντων
• παρουσιάζει νέες μεθοδολογίες που θα επιτρέψουν στη βιομηχανία να επενδύσει τα κεφάλαια που τώρα καταναλίσκει (περιβαλλοντικοί φόροι, κόστος διάθεσης αποβλήτων, κόστος αποκατάστασης, κ.τ.λ.), σε παραπέρα έρευνα και ανάπτυξη.
Εφαρμογές Μικροκυμάτων στις Χημικές Αντιδράσεις
Εδώ και χρόνια μια μεγάλη μερίδα κατοίκων των ανεπτυγμένων χωρών έρχεται σε επαφή με τα μικροκύματα μέσω της ευρείας χρησιμοποίησης των οικιακών φούρνων μικροκυμάτων για το γρήγορο ζέσταμα των τροφών. Οι επιστήμονες έχουν βρει και άλλες χρήσεις των μικροκυμάτων, όπως στην προετοιμασία δειγμάτων για ανάλυση, στην επεξεργασία αποβλήτων, στην τεχνολογία πολυμερών, στην τεχνολογία κεραμικών, καθώς και στην υδρόλυση πρωτεϊνών και πεπτιδίων. Η τεχνική επίσης εφαρμόζεται στην ανόργανη σύνθεση σε στερεά φάση3 και βέβαια στην οργανική σύνθεση,4 όπως αναλύεται παρακάτω.
Τα μικροκύματα είναι μια μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.5 Η συχνότητα των μικροκυμάτων ποικίλει από 300MHz εώς 30GHz και για να αποφευχθεί η παρεμπόδιση τηλεπικοινωνιακών
δραστηριοτήτων τα 2,45 GHz είναι η συνήθης συχνότητα που εφαρμόζεται στους οικιακούς φούρνους μικροκυμάτων.6
Τα μικροκύματα είναι μη ιονίζουσα ακτινοβολία, που επηρεάζει μοριακές κινήσεις όπως τη διπολική περιστροφή, αλλά δεν αλλάζει τη μοριακή δομή. Η απορρόφηση των μικροκυμάτων προκαλεί μια πολύ γρήγορη αύξηση της θερμοκρασίας των αντιδρώντων, των διαλυτών και των προϊόντων.
Η θέρμανση με τα μικροκύματα προκύπτει από την ικανότητα ορισμένων υγρών και στερεών να μετατρέπουν την απορροφούμενη ακτινοβολία σε θερμότητα: η θέρμανση προέρχεται βασικά από το ηλεκτρικό πεδίο των μικροκυμάτων που αναγκάζει τα δίπολα να περιστρέφονται και τα ιόντα να μεταναστεύουν και να ακολουθούν τις ταχείες μεταβολές του ηλεκτρικού πεδίου.
Σε συστήματα με διαλύτες η διπολική πόλωση είναι το φαινόμενο που κατά κανόνα ευθύνεται για τη θέρμανση με μικροκύματα. Τυπικοί διαλύτες που χρησιμοποιούνται με μικροκύματα είναι το νερό, η μεθανόλη, η αιθανόλη, η ακετόνη, ο οξικός αιθυλεστέρας, το χλωροφόρμιο, το οξικό οξύ και το διχλωρομεθάνιο. Το διμεθυλοφορμαμίδιο είναι επίσης χρήσιμο διότι είναι πλήρως αναμίξιμο με το νερό, είναι καλός διαλύτης για πολικές και λιγότερο πολικές ουσίες, ενώ έχει υψηλό σ.ζ. επιτρέποντας διεξαγωγή αντιδράσεων σε ανοιχτά δοχεία.5 Διαλύτες όπως το βενζόλιο, το τολουόλιο, το εξάνιο, ο διαιθυλαιθέρας που δεν μπορούν να απορροφήσουν μικροκύματα, θερμαίνονται μόνο παρουσία άλλων υλικών που αλληλεπιδρούν με τα μικροκύματα.7
Αντιδράσεις με μικροκύματα σε στερεά φάση
Οι αντιδράσεις με μικροκύματα σε κάποιο πολικό διαλύτη έχουν συχνά το επακόλουθο της ανάπτυξης υψηλών πιέσεων με αποτέλεσμα να είναι αναγκαία η χρησιμοποίηση ειδικών δοχείων από τεφλόν ή κλειστών δοχείων. Τα τελευταία χρόνια, μια πρακτικότερη διάσταση ανακαλύφθηκε με την πραγματοποίηση αντιδράσεων σε στερεό υπόστρωμα χωρίς διαλύτη. Υπάρχουν δύο τέτοιοι τύποι αντιδράσεων: στον έναν, τα αντιδρώντα προσδένονται σε ένα σχετικά αδρανές στα μικροκύματα μέσο.8 Σε αυτή την περίπτωση πρέπει ένα τουλάχιστον από τα αντιδρώντα να είναι πολικό. Στον άλλο τύπο της αντίδρασης, χρησιμοποιείται ένα ενεργό υλικό και δε χρειάζεται τα αντιδρώντα να είναι ενεργά στα μικροκύματα.
Συχνά οι οργανικές ενώσεις προσροφώνται στην επιφάνεια ανόργανων οξειδίων όπως η αλουμίνα, η σίλικα, ή ο πηλός (clay). Η θερμοκρασία του μίγματος είναι σχετικά χαμηλή σε τέτοιες συνθήκες απουσία διαλύτη, αν και τοπικά συχνά αναπτύσσονται υψηλότερες θερμοκρασίες.
Οι αντιδράσεις σε στερεά φάση είναι πολύ πρακτικές. Τα προσροφημένα αντιδρώντα τοποθετούνται σε ένα δοχείο και ακτινοβολούνται ενώ τα προϊόντα παραλαμβάνονται με έκπλυση και διήθηση. Με τη μεθοδολογία αυτή δίνεται η δυνατότητα πραγματοποίησης αντιδράσεων σε ανοιχτά δοχεία και σε μεγάλη κλίμακα, αποφεύγοντας την ανάπτυξη υψηλών πιέσεων. Η απουσία
του διαλύτη σε συνδυασμό με τις υψηλές αποδόσεις και τους μικρούς χρόνους αντίδρασης κάνουν αυτούς τους τύπους των αντιδράσεων πολύ ελκυστικές στη σύνθεση.9
Αντιδράσεις προστασίας/αποπροστασίας
Η επιτυχημένη αποβενζυλίωση διαφόρων εστέρων όπως φαίνεται στο σχήμα 1 ανοίγει το δρόμο για την αποπροστασία αμινών και αμινοξέων με ομάδες όπως η 9-φθορομεθοξυκαρβόνυλο-ομάδα (Fmoc), χωρίς τη χρήση ερεθιστικών και διαβρωτικών χημικών ουσιών (τριφθοροοξικό οξύ, πιπεριδίνη).10
CO2CH2C6H5CHCHCO2CH2C6H57 min, 92%10 min, 90%NH2CH2CO2CH2C6H54 min, 95%
Σχήμα 1 Διάσπαση βενζυλεστέρων
Αντιδράσεις Οξείδωσης
Τα συνηθισμένα οξειδωτικά οργανικά αντιδραστήρια δηλαδή υπεροξέα, υπεροξείδια, διοξείδιο του μαγγανίου, υπερμαγγανικό κάλιο, τριοξείδιο του χρωμίου, χρωμικό κάλιο και διχρωμικό κάλιο έχουν περιορισμούς σε σχέση με τη τοξικότητα και τη διάθεση τους.11
Για την οξείδωση των αλκοολών σε αλδεύδη ή κετόνη απουσία διαλύτη με clayfen έχει χρησιμοποιηθεί απλός φούρνος μικροκυμάτων δικνύοντας μεγάλη επιτάχυνση της αντίδρασης χωρίς μάλιστα να παράγεται καρβοξυλικό οξύ στην οξείδωση πρωτοταγών αλκοολών.12
CHOH(87-96%)COMW, 15-60 sClayfenR1R1R2R2
Σχήμα 2 Οξείδωση αλκοολών με καταλύτη clayfen και μικροκύματα
Επίσης οξείδωση υψηλής απόδοσης επιτυγχάνεται και με διοξείδιο του μαγγανίου MnO2 σε σίλικα:13 CHOHCOMW, 20-60 sMnO2-Silica(67-96%)R2R1R1R2
Σχήμα 3 Οξείδωση αλκοολών με MnO2 και μικροκύματα
Αντιδράσεις συμπύκνωσης
Για την παρασκευή ιμινών, εναμινών και νιτροαλκενίων πρέπει να γίνει αζεοτροπική απομάκρυνση του παραγόμενου νερού με τη χρήση ειδικής συσκευής και χρησιμοποίηση μεγάλων ποσοτήτων αρωματικών υδρογονανθράκων.14 Η χρήση μικροκυμάτων για την απομάκρυνση του νερού σε αντιδράσεις σχηματισμού ιμινών ή εναμινών είναι πολύ αποτελεσματική: 15
CHONH2+XK 10 ClayMW 1-3 minCHXN(90-97%)X= H, o-OH, p-OH, p-Me, p-OMe
Σχήμα 4 Χρήση μικροκυμάτων στην παρασκευή ιμινών
Αντιδράσεις αναγωγής
Οι υποκατεστημένες υδροκινόνες είναι σημαντικά ενδιάμεσα για πολλά τελικά προϊόντα αλλά η παρασκευή τους συνήθως απαιτεί ισχυρές συνθήκες. Μια νέα μέθοδος αναπτύχθηκε με μικροκύματα, χωρίς διαλύτη και με καταλύτη KF/Al2O3.16
OORKF-Al2O3MW+OHOHR
Σχήμα 5 Παρασκευή υποκατεστημένων υδροκινονών με μικροκύματα και καταλυτικό σύστημα KF/Al2O3
Πειραματική Πορεία στη Σύνθεση Αρυλαμινών με Μικροκύματα
Οι αρυλαμίνες είναι ευέλικτα ενδιάμεσα με ευρεία χρήση στην ιατρική, στην τεχνολογία πολυμερών και τη φωτογραφία. Οι Ν-υποκατεστημένες αρυλαμίνες χρησιμοποιούνται ως αντιυπερτασικά και
αντιφλεγμονώδη φάρμακα17 και είναι μια σημαντική τάξη ενώσεων στη νευροφαρμακευτική.18
Η απευθείας πυρηνόφιλη υποκατάσταση των αρυλαλογονιδίων συνήθως απαιτεί περίσσεια των αντιδραστηρίων, πολύ πολικούς διαλύτες όπως DMF19 και DMSO20 σε υψηλές θερμοκρασίες ακόμα και με δραστικά αρυλαλογονίδια21, και υψηλή πίεση.22 Στην παρούσα εργασία ερευνούνται οι αντιδράσεις δευτεροταγών αμινών με παρα-νίτρο υποκατεστημένα αρυλαλογονίδια με τη χρήση μικροκυμάτων.23 Οι αντιδράσεις εκτελούνται παρουσία αλουμίνας Al2O3 χωρίς τη μεσολάβηση διαλυτικού μέσου. Τα μικροκύματα θεωρείται ότι διασπούν το δεσμό ετεροατόμων με το υδρογόνο
των πρωτοταγών και δευτεροταγών αμινών.24 Επιπλέον το απελευθερούμενο HBr ή HCl παγιδεύεται στην επιφάνεια της αλουμίνας, ελευθερώνοντας έτσι
το άζωτο να υποστεί την πυρηνόφιλη προσβολή. Τα πειράματα διεξήχθησαν σε οικιακό μη τροποποιημένο φούρνο μικροκυμάτων μάρκας Whirlpool IC12 με βαθμονομημένες διαβαθμίσεις ισχύος στα 160, 350, 500, 750W και με χρονοδιακόπτη.
XO2N+HNR1R2Al2O3MWO2NNR1R2
Σχήμα 6 Γενικό σχήμα αντίδρασης p-νιτρο-αρυλαγονιδίων με δευτεροταγείς αμίνες
Πραγματοποιήθηκαν αντιδράσεις του p-βρωμονιτροβενζολίου με μορφολίνη και 1-(p-νιτροφαινυλο)-4-φαινυλοπιπεραζίνη παρουσία βασικού Al2O3 (Brockmann Activity Grade 1, 70-290mesh). Σε μικρή κωνική φιάλη των 25ml φέρονται κατά τυχαία σειρά p-βρωμονιτροβενζόλιο (2g, 10mmol), η δευτεροταγής αμίνη (12 mmol) και βασικό Al2O3 (5g). Ρυθμίζεται η ισχύς στα 350W. Ο χρονοδιακόπτης ορίζεται στο 1 λεπτό ακριβώς και τίθεται η συσκευή σε λειτουργία. Με την παρέλευση του λεπτού η ακτινοβόληση παύει αυτόματα και χωρίς να ανοιχτεί το πορτάκι μετρούμε παύση 20sec και επαναλαμβάνεται η ακτινοβόληση κατά τον ίδιο τρόπο για ένα ακόμα λεπτό και μετά πάλι παύση 20sec και τέλος ένα ακόμα λεπτό ακτινοβόληση. Αθροιστικά η επίδραση των μικροκυμάτων στο μίγμα της αντίδρασης διαρκεί 3 λεπτά.
Για τον καθαρισμό του προϊόντος το μίγμα οδηγείται σε στήλη χρωματογραφίας Silica gel 60 και απομωνόνεται με τη χρησιμοποίηση μίγματος διαλυτών πετρελαϊκού αιθέρα-οξικού αιθυλεστέρα σε αναλογία 7:3. Λαμβάνεται αντίστοιχα κίτρινο κρυσταλλικό στερεό [1] και πορφυρό κρυσταλλικό στερεό [2]. Η ταυτοποίηση των προϊόντων πραγματοποιήθηκε με φασματοσκοπία 1H-NMR και IR.
O2NNO[1]
O2NNN[2]
Συζήτηση Αποτελεσμάτων
Πίνακας 1 Πειραματικά αποτελέσματα στη σύνθεση Ν-αρυλαμινών
XO2N HNR1R2 O2NNR1R2
Χρόνος ακτινοβόλησης
Απόδοση O2NBr NO
[1]
3 min
80% O2NBr HNN
[2]
3.5 min
75%
Η αντίδραση με τη μορφολίνη χωρίς μικροκύματα έχει πραγματοποιηθεί από άλλους ερευνητές με καλές αποδόσεις αλλά με τη χρησιμοποίηση διαλύτη THF και υπό υψηλή πίεση (6-12bar).22
Παρόμοια αντίδραση ξανά χωρίς μικροκύματα και με αντιδρών όχι το 4-βρωμονιτροβενζόλιο αλλά το 4-φθοροβενζονιτρίλιο απουσία διαλύτη δίνει απόδοση 95% με θέρμανση στους 120οC σε τρεις ώρες.25
Οι αντιδράσεις που εμείς εκτελέσαμε, έχει διαπιστωθεί ότι όταν πραγματοποιήθηκαν με μικροκύματα αλλά απουσία αλουμίνας προχώρησαν σε ελάχιστο ποσοστό (10-15%)23 γεγονός που υποδικνύει τη σημασία της σύζευξης ενός πολικού μέσου (αλουμίνα) με την ακτινοβολία των μικροκυμάτων. Διότι οι αμίνες είναι πολικά μόρια αλλά όχι αρκετά ώστε να έχουν μια πολύ αποτελεσματική αλληλεπίδραση με το πεδίο των μικροκυμάτων.
Οι μελέτες των ίδιων ερευνητών έχουν δείξει ότι αν αντί για μικροκύματα εφαρμοστεί απλή θέρμανση στους 120ΟC παρουσία Al2O3, οι αποδόσεις που λαμβάνονται είναι μικρότερες.23 Αυτό αποτελεί απόδειξη ότι πέρα των άλλων τα μικροκύματα είναι μία μορφή θέρμανσης διαφορετική από την κλασσική, τόσο στη φύση όσο και στην ταχύτητά της.
Επιπρόσθετα, με τη συγκεκριμένη μέθοδο με τα μικροκύματα στη στερεά φάση, αποφεύγεται και η χρήση οργανικού διαλύτη για την ανάμιξη των αντιδραστηρίων, που με τη σειρά του συνεπάγεται
χαμηλότερο οικονομικό κόστος και αποφυγή τυχόν επιβάρυνσης του περιβάλλοντος κατά την διάθεση των αποβλήτων.
Μειονέκτημα των οικιακών φούρνων μικροκυμάτων είναι ότι παρόλο που είναι φθηνοί και προσιτοί στην αγορά τους, παράγουν ανομοιόμορφη θέρμανση που θα μπορούσε να προκαλέσει προβλήματα σε κάποιες χημικές αντιδράσεις26 και επίσης είναι δύσκολη η παρακολούθηση της θερμοκρασίας μέσα στο θάλαμο των μικροκυμάτων.
Συμπερασματικά, η μέθοδος που ερευνήθηκε, αποδείχθηκε εύκολη και αποτελεσματική για τη σύνθεση Ν-αρυλαμινών επιβεβαιώνοντας τη διεθνή βιβλιογραφία στην οποία τα τελευταία χρόνια όλο και πιο συχνά τονίζεται ότι η παρουσία των μικροκυμάτων βελτιώνει εκπληκτικά την ταχύτητα πολλών χημικών αντιδράσεων, με αξιοπρόσεκτη μείωση του χρόνου, χωρίς αρνητική μεταβολή της τελικής απόδοσης, συγκεντρώνοντας όλα τα παρακάτω πλεονεκτήματα:
􀀹 Αποφυγή χρησιμοποίησης διαλύτου, αποφεύγοντας έτσι πιθανή εισπνοή τοξικών ατμών και την ανάγκη τυχόν επαναπόσταξης
􀀹 Η διαδικασία είναι απλή και το προϊόν παραλαμβάνεται από το μίγμα της αντίδρασης με απλή χρωματογραφία στήλης
􀀹 Έχουμε ταχύτατη μεταφορά θερμότητας στη μάζα του μίγματος
􀀹 Το βάθος διείσδυσης της ακτινοβολίας είναι της ίδιας τάξης μεγέθους με το μήκος κύματος, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν ουσίες μεγάλου πάχους (~10cm, -αφού τα μικροκύματα των οικιακών φούρνων έχουν μήκος κύματος 12.2cm)
􀀹 Η αλουμίνα που χρησιμοποιείται ως καταλύτης είναι φτηνό αντιδραστήριο (50 DM τα 10g, κατάλογος Aldrich)
􀀹 Η κατάλυση σε στερεά φάση έχει το πλεονέκτημα ότι ο καταλύτης μπορεί να ανακτηθεί και να επαναχρησιμοποιηθεί
􀀹 Η αντίδραση μπορεί να γίνει σε μεγάλη κλίμακα διότι είναι οικονομική και πρακτική αφού δε χρησιμοποιείται διαλύτης
􀀹 Ο μικρός χρόνος αντίδρασης ίσως αποβεί μεγάλης σημασίας για την παραγωγή ραδιοφαρμάκων, τα οποία έχουν περιορισμένο χρόνο δράσης. Με ισότοπα όπως 122Ι (3.6min) ή 11C (20min) η εξοικονόμηση έστω και λίγων λεπτών είναι σημαντική για τη δραστικότητα τους. 27
􀀹 Είναι μέθοδος ασφαλής αφού δεν ενέχει ο κίνδυνος ανάπτυξης υψηλών πιέσεων ή εκρήξεως
Συμπεράσματα για τη Χρήση Μικροκυμάτων στην Οργανική Σύνθεση
Τα αποτελέσματα της έρευνας έδειξαν ότι η μέθοδος που εφαρμόστηκε είναι ταχεία και αποτελεσματική. Ελήφθησαν υψηλές αποδόσεις σε πολύ μικρό χρόνο. Σε σύγκριση με συμβατικές μεθόδους
αποδείχθηκε ότι είναι οικονομικότερη, με μεγαλύτερες αποδόσεις και περιβαλλοντικά ηπιότερη.
Τα πειράματα αυτά μαζί με μια πληθώρα άλλων που εμφανίζονται στη διεθνή βιβλιογραφία, τονίζουν την τεράστια δυναμική της συνθετικής Πράσινης Χημείας. Ήδη σε κάποια πανεπιστήμια και ερευνητικά ιδρύματα του εξωτερικού η Πράσινη Χημεία έχει εισαχθεί στο διδακτικό και ερευνητικό πρόγραμμα. Είναι αλήθεια ότι το ενδιαφέρον και η ικανότητα με την οποία χρησιμοποιούμε τις πρώτες ύλες και αντιλαμβανόμαστε την επιστήμη μας, θα καθορίσει σε μεγάλο βαθμό τη βιωσιμότητα του πλανήτη μας. Αναμφίβολα, η Πράσινη Χημεία κατέχει ένα ρόλο-κλειδί στην επίτευξη της αειφόρου ανάπτυξης.