Jaromír Literák. Zelená chemie Navrhování chemických produktů

Transkript

1 Zelená chemie avrhování chemických produktů

2 avrhování chemických produktů Struktura nebo složení produktu Jsou dané, existuje volnost ve způsobu přípravy. ení striktně dáno, lze měnit produkt i způsob jeho přípravy. Zohledňujeme: Způsob přípravy a s tím spojená rizika a zátěž. Vztah mezi funkcí a strukturou nebo složením produktu. Rizika spojená s jeho užíváním. Jeho toxicita. Možnost recyklace či dalšího využití po skončení životnosti. sud v životním prostředí po úniku. Dobrá syntetická chemie je zelená chemie.

3 Příprava látky retrosyntetická analýza Identifikace vazeb v produktu, které lze snadno vytvořit, často: Vazby uhlík heteroatom (,, P, S). Uhlovodíkové zbytky poutané k cyklům. CH 2 δ H δ 3C MgBr syntony stavební jednotky syntéza: + H 3 C MgBr MgBr H 2 H - H 2 CH 2

4 Příprava látky retrosyntetická analýza

5 Příprava látky retrosyntetická analýza H H

6 Příprava látky retrosyntetická analýza H H Eta - Et Et - Eta H Eta - Et H -

7 Příprava látky retrosyntetická analýza R

8 Příprava látky retrosyntetická analýza R H R H H C R H H

9 Příprava látky retrosyntetická analýza R R H C R H H H H H + H + R C multikomponentní reakce R

10 Přeměny funkčních skupin Často vyžadují stechiometrická množství činidel, které jsou zdrojem odpadů (LiAlH 4, Mn 4, Cr ). R 2 R 2 2 H 2 R 1 R 1 R 2 R 2 C R 1 R 1 R 2 R 1 Br R 2 R 1 R 2 R 1 CH R 2 R 1 C Cílem jsou katalytické transformace, oxidace s využitím vzduchu ( 2 ) redukce s využitím H 2.

11 ejčastější typy chemických transformací ve farmacii Cíl transformace tvorba nové C vazby tvorba nové C C vazby tvorba nové C vazby tvorba nové C S vazby redukce cyklizace tvorba nové vazby C=C hydrolýza halogenace tvorba soli dělení enantiomerů Typ reakce -alkylace C-alkylace adice nukleofilu na vazbu C= -alkylace -acylace S-alkylace katalytická hydrogenace adice hydridového aniontu často heterocyklizace eliminační reakce kysele nebo bazicky katalyzovaná přeměna alkoholu na halogenderivát neutralizační reakce tvorba diastereomerních solí s chirálními kyselinami a aminy

12 Chranicí skupiny a chemoselektivita Problém chemoselektivity potřeba užití chranicích skupin. Zvýšení počtu syntetických krok Zvýšené množství odpadů H 3 C Et H 3 C? H 3 C Et 1. LiAlH 4 2. H 2 H 3 C H 3 C H / H (kat.) Et - H 2 H 3 C Et 1. LiAlH 4 2. H 2 H 3 C H 2 / H (kat.) H - H 3 C

13 áhrada fosgenu Toxický plyn, T v = 7,6 C. Příprava: C + Cl 2 CCl 2 Produkce isokyanátů (polyurethany a pesticidy) a polykarbonátů. Polykarbonáty H Cl Cl R-H 2 Polyurethany R C Pesticidy Laboratorní náhrada: Cl 3 C CCl 3 CCl 3 Cl Trifosgen T t = 83 o C Difosgen T v = 128 o C

14 áhrada fosgenu 2 + 1/2 2 + C nebo 2 Ph + 1/2 2 + C C 2 2 R R R R R Cl R RH 2 R R H Polykarbonáty Cl Cl R-H 2 R C Pesticidy Polyurethany

15 Alkylace C-kyselin Methylace C-kyselin vyžadují obvykle stechiometrické množství báze a toxická methylační činidla (alkylhalogenidy, dimethyl-sulfát). Reakce vede ke vzniku odpadních solí, navíc je obvykle doprovázena vícenásobnými alkylacemi. Methylaci arylacetonitrilů pomocí netoxického dimethyl-karbonátu v přítomnosti uhličitanu draselného reakce probíhá s vysokou selektivitou, bez vícenásobné alkylace, nevznikají odpadní soli. R C K 2 C 3 + H 3 C o C R C + + C 2

16 Syntetická strategie Konvergentní syntézy jsou obvykle výhodnější než lineární předpokládejme 80% výtěžek každé reakce: A + B AB C ABC D ABCD E ABCDF F ABCDEF 80 % 64 % 51 % 40 % 32 % A + B C + D E + F AB CD EF ABCD ABCDEF 80 % 64 % 51 %

17 Diagram toků chemické reakce Br 1. Mg / suchý THF F 2. (t-buc) 2 t-bu F

18 Diagram toků chemické reakce

19 Definice udržitelnosti atural Step Framework 1 emělo by růst množství látek získávaných ze zemské kůry v ekosféře. 2 emělo by v ekosféře růst množství látek produkovaných člověkem. 3 esmí docházet k omezování diverzity a produktivity biosféry. 4 Správné a účinné využití zdrojů, které slouží k uspokojování lidských potřeb. V přírodě existuje koloběh látek, všechen odpad je potravou, primárním zdrojem energie je Slunce, zdrojem látek fotosyntetizující rostliny. Řešení může být v napodobení přírody.

20 Umělá kost Kost vzniká krystalizací hydroxyapatitu v přítomnosti hydrogelu kolagenu (templát, lešení). Kost se vyznačuje výbornými mechanickými vlastnostmi kompozit z tvrdé anorganické složky a pružné bílkoviny, obě složky k sobě silně poutané. Současné ortopedické implantáty (kovy, keramika, polymery) jsou inertní, ale liší se svými mechanickými vlastnostmi od okolní tkáně. ápodoba: zesíťovaný hydrogel HEMA nebo HEMAm obsahují monomery s ligandy pro Ca 2+ a adhezi buňek. ásledná mineralizace srážením HA. Ligand Ca 2+ H R C H Monomery Sít'ovadlo HEMAm HEMA

21 Umělá kost

22 áhrada PET Tvoří 18 % na celosvětové produkce polymerů. HC C + H Ropa -H 2 * * n polyethylentereftalát (PET) Výborné vlastnosti T g = 67 C a T m = 265 C. Alternativní polymer musí obsahovat podobné strukturní rysy pro dosažení srovnatelných vlastností: Aromatické jádro Alifatická komponenta * * n

23 áhrada PET Poly(4-hydroxybenzoát) T m = 350 C (obtížné zpracování). áhrada kys. tereftalové furan-2,5-dikarboxylovou kyselinou (obnovitelný zdroj), zůstává ethylenglykol z ropy. Využití dihydroferulové kyseliny jako náhrady za oba monomery. H 3 C H 3 C H * * dihydroferulová kyselina n Příprava monomeru: Lignin H 3 C H H 3 C + H H H 3 C 5 % 8 % H

24 áhrada PET Příprava monomeru: H 3 C H H Ac 2 báze H 3 C H 3 C C H 2, Pd/C H 3 C H 3 C C Polykondenzace: H 3 C H 3 C C Zn(Ac) 2 - C * H 3 C * n

25 áhrada PET Poly(dihydroferulát) T g = 73 C a T m = 234 C. bnovitelný zdroj suroviny (vanilin i kys. octová). Snadnější degradace hydrolýzou (fenolát jako odstupující skupina). Jeden monomer. Recyklace kyseliny octové

26 áhrada petrochemických produktů Petrochemický produkt Produkt z obn. zdrojů HDPE PHA (Polyhydroxyalkanoáty) PTT (polytrimethylentereftalát) PTT ylon 6 Ethyl-acetát Ethyl-laktát Ethylen Ethylen (z bioethanolu) Maleinanhydrid Kys. jantarová Kys. adipová Kys. adipová Kys. octová Kys. octová n-butanol Bio-n-Butanol

27 Design produktů Vlastnosti i biologické účinky látek lze odhadovat s využitím QSAR (Quantitative structure-activity relationship) korelace struktury a vlastností. T-SAR Thinking in structure-activity relationships Lokalizace interakčního potenciálu na prostorové struktuře molekuly (iontová, dipól-dipól, disperzní, H-vazba, hydrofobní efekt. Ze 3-D struktury molekuly můžeme odvodit: Chemicky (biochemicky) reaktivní prvek. Může být definován na semikvantitativní škále ve spojení s environmentálními podminkami (oxidace, redukce, teplota, vlhkost, ph). Přítomnost kyselých a bazických funkčních skupin (důležitý parametr ovlivňující chování látky). Lipofilita, rozpustnost ve vodě (předpověď biologických účinků).

28 Aplikace v navrhování iontových kapalin Iontové kapaliny jsou nízkotající soli: R 2 R 2 R R 1 1 R BF 4 Cl PF 6 (CF 3 S 2 ) 2 Korelace toxicity pro bakterie a buňky s povahou R a druhem aniontu toxicita výrazně stoupá s délkou R a s dalšími faktory, které činí sůl lipofilnější. Design musí probíhat s ohledem na tuto závislost.

29 Urychlení odbourávání látky v přírodě Látky uvolňované člověkem mohou být zdrojem potravy pro mikroorganismy. Rychlost degradace (+ škodlivost) ovlivníme vhodným designem. Základní pravidla apodobování přírody. Přírodní produkty jsou plně degradovatelné, látky s podobnou strukturou budou s velkou pravděpodobností také. S rostoucí velikostí molekuly klesá rychlost degradace. Stericky náročnější části molekul jsou degradovány pomaleji. Látky špatně rozpustné ve vodě budou odbourávány pomaleji.

30 Urychlení odbourávání látky v přírodě Silně akceptorní skupiny zpomalují rychlost degradace (aromatických) sloučenin. Mnoho heterocyklů je odolných vůči biodegradaci. Látky obsahující vazby C Cl a C F jsou odbourávány pomaleji. Alifatické sloučeniny s etherickými vazbami degradují pomalu. Sloučeniny obsahující větvené alkylové řetězce budou odbourávány pomaleji než struktury nevětvené.

31 Urychlení odbourávání látky v přírodě Degradaci látky výrazně zpomalí nepřítomnost dvou volných sousedících pozic na benzenovém jádře (bakteriální degradace derivátů benzenu probíhá obvykle přes katechol). 2, ADH + H + AD + H AD + ADH + H + H H H katechol ortho-štěpení katecholu: H H 2 katechol dioxygenáza C C cis,cis-mukonová kyselina HC HC CoASH HC SCoA CoASH HC SCoA + Citrátovy cyklus H 3 C SCoA

32 Urychlení odbourávání látky v přírodě meta-štěpení katecholu: H H 2 katechol 2,3-dioxygenáza C CH H 2 + C HC C H 2 H C H + H 3 C C Metabolismus alkylbenzenů xidace postranního řetězce alkohol aldehyd kyselina katechol. C C xidace aromatického jádra na alkylkatecholy následující štěpení.

33 Tenzidy eionogenní Anionaktivní Kationaktivní Amfolytické

34 Anionaktivní tenzidy Alkylbenzensulfonáty vyráběny alkylací benzenu tetramerem propenu a následnou sulfonací. Snižují účinnost čistíren odpadních vod. H 3 C S 3 H Výrazné zlepšení (urychlení degradace): H 3 C S 3 H

35 eionogenní tenzidy Podobně u alkylfenylpolyethylenglykolů: H3 C H 3 C H 3 C H n K přípravě neionogenních tenzidů lze využít alkoholy odvozené redukcí mastných kyselin: H 3 C + H 3 C H n

36 eionogenní tenzidy Také glykosidy: H H H 3 C + H -H 2 H H H 3 C H n

37 Snadněji degradovatelné polymery 1 Výroba polymerů z biodegradovatelných monomerů. Biodegradovatelné polymery: Polylaktát. Polyhydroxyalkanoáty. earomatické polyestery (polybutylensukcinát). Polyvinylalkohol. Deriváty škrobu. Deriváty celulosy estery, nitráty (celuloid). 2 Zabudování bioderadovatelného segmentu do řetězce polymeru škrob nebo silylovaný škrob (15 % škrobu zajistí dobu života asi 1 rok). 3 Zabudování částí, které urychlí chemické a fotochemické stárnutí polymeru.

38 Mazadla V mnoha aplikacích nelze zabránit jejich úniku (motorové pily, lana jeřábů, doprava... ). Zdroj znečištění. Mazadla založená na minerálmích olejích (uhlovodíky). Syntetická mazadla, např. estery dvojsytných kyselin: H 3 C H 3 C bis(oktan-2-yl)-sebakát H 3 C dioktyl-adipát

39 Mazadla Kyselinu sebakovou lze vyrobit také z kys. riconolejové (zdroj ricinový olej), kyselinu adipovou z glukosy. H C Kyselina ricinolejová a 250 o C H 3C + H C HC Kyselina sebaková C H C C CH H E. coli H H 3C vanilin HC C adipová kys. H 2 / Pd C C cis,cis-mukonová kys. katechol

40 Mazadla Rostlinné oleje (slunečnicový, palmový, ricinový, řepkový). Výhody oproti minerálním olejům: Lépe snižují tření. Menší změna viskozity s teplotou. Menší ztráty odpařováním. ižší toxicita. Snadnější biodegradace. cena syntetické estery rostlinné oleje minerální oleje vlastnosti

41 Ekoznačky Snadno rozpoznatelné označení spotřebního zboží, které je vůči přírodě šetrnější než jiné zboží ze stejné kategorie. Certifikováno různými institucemi. Základem je analýza celého životního cyklu výrobku. Všechny posuzované parametry mají určitou hranici, jejiž překročení výrobek vyřazuje z posuzování. K získání certifikátu je potřeba získat určité celkové skóre ponechává relativní volnost výrobci pro navrhování produktu při zachování zelenosti výrobku. EU ČR Agentura pro ekologicky šetrné výrobky