Auf dem Weg zu “grüneren” übergangsmetallkatalysierten Verfahren: Quantifizierung durch den E‐Faktor

Abstract

Die Umweltverträglichkeit von Verfahren und Produkten ist ein zunehmend wichtiger Faktor in der chemischen Industrie. Während Umweltbelange schon lange diskutiert werden, führte die BASF bereits vor über zehn Jahren ein Messsystem für die Umweltverträglichkeit ein, das sowohl çkonomische als auch çkologische Aspekte beinhaltet. [1a] Erfasst werden unter anderem Energie, Materialien, Emissionen, Toxizität, Risiken und sogar der Landverbrauch. [2][3][4][5] Eine solche Einzelprozessanalyse ist sowohl kosten-als auch zeitintensiv, gibt aber extrem genaue Informationen. Ein alternatives Messsystem, das etwa zur selben Zeit entwickelt wurde, ist der Umwelt-oder E-Faktor. Dieser bezieht sich nur auf den organischen Abfall von chemischen Verfahren und zeigt somit deren "Grünheit" an. [6] Seither wurden ähnliche Faktoren aufgestellt, unter anderem die effektive Stoffbilanz (effective mass yield, EMY), [7] die auch die Ausgangsstoffe und die Investition in deren Herstellung miteinbezieht. Auch der Energieverbrauch und die Wassernutzung tragen zum Gesamtbild bei.Für den pharmazeutischen Bereich wurden unlängst als Messsystem der Wahl eine stoffbasierte Analyse wie die PMI (process mass intensity) vorgeschlagen, [8] die sich nicht nur, wie der E-Faktor, auf den Abfall bezieht. [9] Die PMI kann auch alternativ für die in der Regel stark kosten-und zeitaufwändige vollständige Lebensdauer-Analyse (LCA) [10,11] verwendet werden. In der PMI enthalten sind neben den Aufwendungen des Prozesses selbst auch die nicht unbeträchtlichen Voraufwendungen (up-front). Die zügige Berechnung des PMI-Werts ist ein wichtiger Schritt in Richtung Routineevaluierung von Umweltaspekten. Allerdings zeigen auch diese Rechnungen, wie stark organische Lçsungsmittel und Wasser die Stoffbilanz eines Verfahrens beeinflussen. Organische Lçsungsmittel machen, ob sie nun up-front oder back-end als Abfallprodukte erfasst werden, auch in der PMI-Berechnung ungefähr 85 % des organischen Abfalls aus. [12] In Konsequenz ist es daher durchaus vernünftig, den E-Faktor weiterhin zur Ermittlung der çkonomischen und çkologi-Die übergangsmetallkatalysierte Bildung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-oder Kohlenstoff-Heteroatom-Bindungen gehçrt zu den am intensivsten genutzten Reaktionen in der universitären und industriellen Chemie. So bedeutend solche Kreuzkupplungen für die Synthese sind, so hoch ist auch ihr Preis für Umwelt und Nachhaltigkeit. Ein Instrument, um die Menge an Lçsungsmittelabfall zu messen, ist der E-Faktor. Ursächlich für einen hohen E-Faktor bei der Produktion von Pharmazeutika und Feinchemikalien sind vor allem die verwendeten organischen Lçsungsmittel. Eine Alternative zu organischen Lçsungsmitteln bei Kreuzkupplungen bietet die Katalyse mit Micellen. Bei diesem Verfahren katalysieren neuartige Nanopartikel aus Designer-Tensiden die Reaktion, die in wässriger Umgebung und zumeist bei Raumtemperatur abläuft. Da ohne organisches Lçsungsmittel auch kein organischer Abfall produziert wird, reduziert sich der E-Faktor drastisch.

Aerobic Oxidation in Nanomicelles of Aryl Alkynes, in Water at Room Temperature

“…An E Factor [20] of 5.3 was determined on the basis of organic solvent utilized for the model system (Scheme 8). [21] This value compares quite favorably with those typical of the pharma and fine chemicals industries, [22] as well as related literature. [8,23] Moreover, recycling of the aqueous mixture led to good-to-excellent yields being obtained over three reaction cycles.…”

A Palladium Nanoparticle–Nanomicelle Combination for the Stereoselective Semihydrogenation of Alkynes in Water at Room Temperature

“…The use of very limited amounts of organic solvent for these extractions resulted in an especially low E Factor of 3.4, based solely on organic solvent usage, which is on the low end of those characteristic of the fine chemicals area, and over five times lower than typical values of 25-100 typical of pharmaceutical companies. [21,22] The flexibility of this sequence is further manifested upon alteration of the nature of the alkyne participating in each recycle (Scheme 5).…”

Ecofriendly Porphyrin Synthesis by using Water under Microwave Irradiation

“…[22] One important parameter is the environment factor (E Factor), representing the ratio between weight of waste generated and total weight of end product, [23] being a useful tool for rapid evaluation of processes based on generated waste. [24] Certainly, this parameter does not take into account the use of environmentally benign solvents in purification processes, since it only concerns waste production, disregarding this major issue. Recently, EcoScale values have emerged as more accurate tool for evaluating the "ecofriendliness" of a given process, estimating the quality of the organic preparation based on yield, cost, safety, conditions, and ease of workup/purification, [25] being calculated by lowering the maximum value of 100 by any applicable penalty points.…”