Czym charakteryzują się zielone rozpuszczalniki?

12 zasad zielonej chemii odnosi się szczególnie do szeroko rozumianego przemysłu chemicznego, gdzie główną rolę odgrywają procesy syntezy organicznej i nieorganicznej. Funkcja, jaką wypełnia chemia analityczna w kontroli jakości i monitoringu środowiska, sprawia, że staje się ona kluczowym zagadnieniem w kontekście zielonej chemii. W związku z tym na znaczeniu zyskało nowe sformułowanie – zielonej chemii analitycznej. Zakłada ona opracowywanie nowatorskich, bardziej przyjaznych dla środowiska procedur analitycznych, a także stosowanie mniej uciążliwych odczynników i rozpuszczalników.

W chemii analitycznej w znacznej ilości wykorzystywane są rozpuszczalniki. Zapotrzebowanie na nie jest duże, szczególnie na etapie przygotowania próbek, ale także w chromatografii cieczowej. Przyjęto, że aby rozpuszczalnik można było uznać za zielony, musi spełnić szereg kryteriów, takich jak: dostępność, koszt, możliwość recyklingu, jakość, sposób syntezy, toksyczność, biodegradowalność, wydajność, stabilność, palność czy odnawialność. Niestety większość przyjaznych środowisku rozpuszczalników nie może spełnić wszystkich stawianych wymagań. Dlatego też pojęcie zielonego rozpuszczalnika jest umowne. Aby dany rozpuszczalnik mógł być uznany za zielony, musi spełnić możliwie najwięcej podanych poniżej warunków:

* niska toksyczność dla człowieka i środowiska,

* pochodzenie ze źródeł odnawialnych,

* możliwość poddania go recyklingowi,

* proces wytwarzania możliwie jak najbardziej przyjazny dla środowiska,

* stosunkowo niska cena,

* elektrochemiczna i termiczna stabilność,

* niska lotność i niskie ciśnienie pary,

* wysoka skuteczność.

Przykłady zielonych rozpuszczalników

Obecnie w praktyce laboratoryjnej coraz powszechniej wykorzystywane są rozpuszczalniki przyjazne dla środowiska. Często można spotkać się ze stwierdzeniem, że najlepszy rozpuszczalnik to brak rozpuszczalnika. Niestety w większości przypadków nie jest możliwe praktyczne zastosowanie tej tezy. Należy jednak zaznaczyć, że opracowywane są nowe rozwiązania, które stopniowo wprowadzane do praktyki laboratoryjnej, otwierają nowe możliwości, np. bezrozpuszczalnikowe techniki ekstrakcyjne. Poniżej krótko scharakteryzowano wybrane przykłady rozpuszczalników uznawanych za przyjazne dla środowiska.

Woda

Woda jest jednym z najważniejszych zielonych rozpuszczalników. Spełnia większość kryteriów stawianych ekologicznym rozpuszczalnikom. Jest nietoksyczna, niepalna, tania i biodegradowalna. Wykorzystywana jest w kilku wariantach – jako normalna woda, woda w stanie podkrytycznym i nadkrytycznym. Pierwsza z wymienionych ma charakter wysoce polarny. Doskonale rozpuszcza większość składników organicznych. O wodzie w temperaturze między 100ᵒC a 374ᵒC i pod wysokim ciśnieniem mówi się, że jest w stanie podkrytycznym. W takich warunkach zachowuje się jak wysokiej jakości medium ekstrakcyjne, katalizator oraz reagent w reakcjach hydrolitycznych. Woda znajduje się w stanie nadkrytycznym, gdy wartości jej parametrów temperatury oraz ciśnienia przekroczą wartości krytyczne. Po przekroczeniu tego punktu zanika granica pomiędzy fazą ciekłą i gazową, a powstała, nowa faza posiada właściwości pośrednie cieczy i gazu. Woda w stanie nadkrytycznym zachowuje się jak niepolarny rozpuszczalnik i doskonale rozpuszcza związki o podobnej polarności.

Ciecze jonowe

Ciecze jonowe to związki składające się z anionów nieorganicznych i kationów organicznych, które są cieczami w temperaturze pokojowej. Różne właściwości fizykochemiczne, takie jak stabilność termiczna, niskie ciśnienie pary, niska lotność, niska przewodność, niepalność, wysoka biodegradowalność czy nietoksyczność, sprawiają, że są one dobrymi zielonymi rozpuszczalnikami. Dobrze mieszają się z wodą. Dużą zaletą cieczy jonowych, jako rozpuszczalników, jest możliwość dobierania ich w zależności od zastosowania ze względu na znaczną różnorodność kationów oraz anionów. Ciecze jonowe to rozpuszczalniki wysokiej jakości dla szerokiej gamy związków zarówno organicznych, jak i nieorganicznych.

Rozpuszczalniki głęboko eutektyczne (DES)

Mieszaniny głęboko eutektyczne to przykłady rozpuszczalników zawierających w swojej budowie donor wiązania wodorowego lub akceptor wiązania wodorowego, które wiążą się ze sobą, tworząc fazę eutektyczną o temperaturze topnienia niższej od temperatury topnienia poszczególnych komponentów. Ciecze te przygotowywane są w procesie kompleksowania halogenku amonu z kwasem karboksylowym, alkoholem lub amidem. Rozpuszczalniki głęboko eutektyczne charakteryzują się znaczną gęstością oraz lepkością. Cechy te utrudniają ich zastosowanie w niektórych aplikacjach, jednak cieszą się rosnącą popularnością z uwagi m.in. na niską toksyczność czy wysoką biodegradowalność. Pod względem właściwości porównywane są do cieczy jonowych. Do często wykorzystywanych rozpuszczalników głęboko eutektycznych należą mieszaniny chlorku choliny z mocznikiem lub chlorku choliny z glikolem etylenowym.

Rozpuszczalniki supramolekularne

Termin rozpuszczalniki supramolekularne często odnosi się do wszystkich amfifilowych rozpuszczalników zdolnych do samodzielnego formowania w wodzie, w określonych warunkach. Badania nad takimi układami doprowadziły do opracowania metod ekstrakcji opartych na rozpuszczalnikach supramolekularnych, w których alkohole i kwasy karboksylowe zawierające długie łańcuchy alkilowe są w stanie tworzyć w roztworach wodnych agregaty, w obecności tetrahydrofuranu. Takie układy pełnią funkcję czynnika ekstrakcyjnego. Mogą być przygotowywane przed ekstrakcją i przechowywane do momentu jej rozpoczęcia lub tworzone in situ poprzez dodanie bezpośrednio do próbki tetrahydrofuranu i rozpuszczalnika amfifilowego. Rozpuszczalniki supramolekularne spełniają większość założeń zielonej chemii, a więc są nietoksyczne, biodegradowalne i niepalne. Znajdują zastosowanie przede wszystkim do ekstrakcji związków organicznych z próbek stałych i wodnych.