グリーンケミストリー

グリーンケミストリーは、持続可能な化学や循環型化学に似ており、[ 1 ]有害物質の使用と発生を最小限に抑える、あるいはなくす製品やプロセスの設計に焦点を当てた化学と化学工学の分野です。[ 2 ]環境化学が汚染化学物質が自然に与える影響に焦点を当てているのに対し、グリーンケミストリーは再生不可能な資源の消費量の削減や汚染防止のための技術的アプローチなど、化学の環境影響に焦点を当てています。[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]

グリーンケミストリーの包括的な目標、すなわち、より資源効率が高く、本質的に安全な分子、材料、製品、プロセスの設計は、幅広い文脈で追求することができます。[ 9 ]

意味

グリーンケミストリー（持続可能なケミストリーとも呼ばれる）は、有害物質の使用と発生を削減または排除する化学製品とプロセスの設計です。[ 10 ] [ 11 ]この概念は、研究室と産業規模での汚染防止とプロセス強化のアプローチを統合して、化学物質と材料のライフサイクル全体にわたって資源効率を改善し、廃棄物とリスクを最小限に抑えます。[ 12 ]

歴史

グリーンケミストリーは、 1990年代に至るまで、化学物質による汚染や資源枯渇の問題への関心が高まる中で、様々な既存のアイデアや研究努力（汚染防止、原子経済、触媒など）から発展し、出現しました。欧米におけるグリーンケミストリーの発展は、環境問題解決戦略の転換によって進められました。それは、従来の「パイプの末端」における産業排出量の削減を義務付ける命令的・統制的な規制から、生産技術そのものの革新的な設計による汚染防止という、幅広い学際的概念への移行でした。後に認識され、グリーンケミストリーとして改名された、より限定的な概念群は、1990年代半ばから後半にかけて、学術文献におけるこの新しい用語の広範な採用とともに、統合されました（この用語は、以前の「クリーン」や「持続可能な」ケミストリーといった競合する用語よりも優勢でした）。[ 13 ] [ 14 ]

米国では、環境保護庁（EPA）が、以前の汚染防止プログラム、資金提供、産業界との協力体制からグリーンケミストリーを発展させる上で重要な支援的役割を果たしました。同時期の英国では、1990年代初頭に「クリーンテクノロジー」という用語を用いたヨーク大学の研究者たちが、王立化学協会内にグリーンケミストリーネットワークを設立し、雑誌『グリーンケミストリー』の創刊に貢献しました。[ 14 ] 1991年、オランダでは『Chemisch Magazine』誌に「グリーンケミストリー」（groene chemie）という特集号が発行されました。オランダでは、「グリーンケミストリー」という包括的な用語は、再生可能な原料としてのバイオマスの利用と結び付けられていました。[ 15 ]

原則

1998年、ポール・アナスタス（当時、米国環境保護庁のグリーンケミストリー・プログラムを指揮していた）とジョン・C・ワーナー（当時、ポラロイド社に勤務）は、グリーンケミストリーの実践を導くための一連の原則を発表しました。[ 16 ] 12の原則は、化学物質の生産による環境と健康への影響を低減するためのさまざまな方法を取り上げており、グリーンケミストリー技術の開発における研究の優先順位も示しています。[ 17 ]

原則には次のような概念が含まれます。

グリーンケミストリーの12の原則は以下のとおりである。[ 18 ]

  1. 予防: 廃棄物が発生した後に処理または清掃するよりも、廃棄物の発生を予防する方が効果的です。
  2. 原子経済：合成方法は、プロセスで使用されるすべての材料を最終製品に最大限に組み込むように努めるべきです。これは、結果として廃棄物の発生を減らすことを意味します。
  3. 危険性の少ない化学合成: 合成方法では、人体や環境に有毒な物質の使用や生成を避ける必要があります。
  4. より安全な化学物質の設計: 化学製品は、可能な限り無毒でありながら、望ましい機能を実現するように設計する必要があります。
  5. より安全な溶剤と補助剤: 補助剤は可能な限り使用を避け、使用する必要がある場合は可能な限り無害なものを使用する必要があります。
  6. エネルギー効率を考慮した設計: エネルギー要件を最小限に抑え、可能な限り常温および常圧でプロセスを実行する必要があります。
  7. 再生可能な原料の使用: 実用的である場合はいつでも、再生不可能な原料または原材料よりも再生可能な原料または原材料の方が優先されます。
  8. 誘導体の削減:保護基の使用などの不要な誘導体の生成は最小限に抑えるか、可能であれば回避する必要があります。このような手順では追加の試薬が必要になり、追加の廃棄物が発生する可能性があります。
  9. 触媒作用:少量で反応を繰り返すことができる触媒試薬は、化学量論的試薬（反応で消費されるもの）よりも優れています。
  10. 分解を考慮した設計: 化学製品は環境を汚染しないように設計する必要があり、機能が完了したら無害な製品に分解される必要があります。
  11. 汚染防止のためのリアルタイム分析: 有害物質が形成される前に、リアルタイムで工程内監視および制御を可能にするために、分析手法をさらに開発する必要があります。
  12. 事故防止のための本質的に安全な化学物質: 可能な限り、プロセス内の物質とその物質の形態は、爆発、火災、偶発的な放出などのリスクを最小限に抑えるように選択する必要があります。

化学プロセスのグリーン性を定量化するだけでなく、化学収率、反応成分の価格、化学物質の取り扱いにおける安全性、ハードウェア要件、エネルギープロファイル、生成物の後処理と精製の容易さといった他の変数も考慮に入れる試みがなされている。ある定量的研究[ 19 ]では、ニトロベンゼンのアニリンへの還元は100点満点中64点と、全体として許容できる合成と評価されているのに対し、HMDSを用いたアミドの合成は合計32点と、適切としか評価されていない。

グリーンケミストリーの手法は、ライフサイクルへの影響と潜在的なナノ毒性に注意しながら、ナノ材料の開発と製造に適用されています。[ 20 ] [ 21 ]

例

グリーン溶剤

人間の活動における溶剤の主な用途は、塗料とコーティング剤（使用量の 46%）である。より少量の用途には、洗浄、脱脂、接着剤、化学合成などがある。[ 22 ]従来の溶剤は毒性が強かったり塩素化されていたりすることが多い。その一方で、グリーン溶剤は一般的に健康や環境に対する害が少なく、より持続可能であることが望ましい。溶剤は再生可能な資源から得られ、生分解して無害な、多くの場合天然に存在する生成物になるのが理想的である。[ 23 ] [ 24 ]しかし、バイオマスから溶剤を製造すると、化石燃料から同じ溶剤を作るよりも環境に有害になる可能性がある。[ 25 ]そのため、製品やプロセスに使用する溶剤を選択する際には、溶剤製造の環境影響を考慮しなければならない。[ 26 ]考慮すべきもう一つの要素は、使用後の溶剤の運命である。溶剤が、溶剤の回収とリサイクルが実行可能な密閉された状況で使用されている場合は、リサイクルに伴うエネルギーコストと環境への害を考慮する必要がある。このような状況では、浄化にエネルギー集約的な水は、必ずしも最も環境に優しい選択肢とは言えないかもしれません。一方、消費者製品に含まれる溶剤は使用時に環境に放出される可能性が高いため、溶剤自体の環境影響は、溶剤のリサイクルにかかるエネルギーコストや環境影響よりも重要です。このような場合、水は環境に優しい選択肢となる可能性が非常に高いのです。つまり、溶剤の寿命全体、つまり「ゆりかごから墓場まで」（リサイクルする場合は「ゆりかごからゆりかごまで」）における環境影響を考慮する必要があるのです。したがって、グリーン溶剤の最も包括的な定義は次のとおりです。「グリーン溶剤とは、製品またはプロセスのライフサイクル全体を通して環境影響が最も少ない溶剤である。」[ 27 ]

定義上、ある溶剤はある用途ではグリーン（その用途に使用できる他の溶剤よりも環境への悪影響が少ないため）である一方、別の用途ではグリーン溶剤ではない可能性がある。典型的な例は水である。水はトイレ用洗剤などの消費者製品では非常にグリーンな溶剤であるが、ポリテトラフルオロエチレンの製造ではグリーン溶剤ではない。このポリマーの製造では、溶剤として水を使用するには、非常に残留性の高いパーフルオロ界面活性剤の添加が必要となる。しかし、超臨界二酸化炭素は界面活性剤なしでも良好な性能を発揮するため、この用途では最もグリーンな溶剤であると考えられる。[ 27 ]つまり、特定の用途に限定しない限り、いかなる溶剤も「グリーン溶剤」であると宣言することはできない。

合成技術

新規または強化された合成技術は、多くの場合、環境パフォーマンスを改善したり、グリーンケミストリーの原則をよりよく遵守することを可能にします。例えば、2005年のノーベル化学賞は、有機合成におけるメタセシス法の開発に対してイヴ・ショーヴァン、ロバート・H・グラブス、リチャード・R・シュロックに授与され、グリーンケミストリーと「よりスマートな生産」への貢献が明確に言及されました。[ 28 ] 2005年のレビューでは、有機合成の分野におけるグリーンケミストリーの3つの重要な開発が特定されました。グリーン溶媒としての超臨界二酸化炭素の使用、クリーンな酸化のための過酸化水素水、および不斉合成における水素の使用です。[ 29 ]グリーンケミストリーの応用のその他の例としては、超臨界水酸化、水中反応、および乾燥媒体反応があります。

バイオエンジニアリングもまた、グリーンケミストリーの目標を達成するための有望な技術として注目されています。多くの重要なプロセス化学物質は、遺伝子操作された生物で合成することが可能です。例えば、ロシュ社がバクテリアで発酵させたタミフルの前駆体であるシキミ酸などが挙げられます。クリックケミストリーは、グリーンケミストリーの目標に合致する化学合成法としてよく挙げられます。「グリーンファーマシー」という概念も、最近では同様の原理に基づいて提唱されています。[ 30 ]

発泡剤としての二酸化炭素

1996 年、ダウ・ケミカル社は、ポリスチレンフォーム製造用の 100%二酸化炭素発泡剤で 1996 Greener Reaction Conditions 賞を受賞しました。ポリスチレンフォームは、梱包や食品輸送によく使用される素材です。米国だけで毎年 7 億ポンドが製造されています。従来、CFCやその他のオゾン層破壊化学物質がフォームシートの製造工程で使用されており、深刻な環境危険をもたらしていました。可燃性、爆発性、場合によっては毒性のある炭化水素も CFC の代替品として使用されてきましたが、それらにも独自の問題があります。ダウ・ケミカル社は、超臨界二酸化炭素が、危険物質を必要とせずに発泡剤として同様に機能し、ポリスチレンをより簡単にリサイクルできることを発見しました。このプロセスで使用される CO2は他の産業から再利用されるため、プロセスから排出される正味の炭素はゼロです。

ヒドラジン

原理2は、塩を共生成せずにヒドラジンを製造する過酸化物プロセスである。ヒドラジンは伝統的に、次亜塩素酸ナトリウム（多くの漂白剤の有効成分）とアンモニアからオリン・ラシヒ法によって製造される。この反応では、目的生成物であるヒドラジン1当量に対して塩化ナトリウム1当量が得られる。[ 31 ]

NaOCl + 2 NH 3 → H 2 N-NH 2 + NaCl + H 2 O

より環境に優しい過酸化水素プロセスでは、過酸化水素を酸化剤として使用し、副産物として水を生成します。純変換率は以下の通りです。

2NH 3 + H 2 O 2 → H 2 N-NH 2 + 2H 2 O

原則4に対応するため、このプロセスでは補助的な抽出溶媒を必要としません。メチルエチルケトンをヒドラジンのキャリアとして使用し、中間体であるケタジン相を反応混合物から分離することで、抽出溶媒を必要とせずに後処理を容易にします。

1,3-プロパンジオール

原則7への取り組みは、従来は石油化学原料から生成される1,3-プロパンジオールへのグリーンなルートです。遺伝子組み換え大腸菌株を用いた1,3-プロパンジオールのバイオ分離により、再生可能な原料から生産可能です。[ 32 ]このジオールは、カーペット製造用の新しいポリエステルの製造に使用されます。

ラクチド

ラクチド

2002 年、カーギル ダウ (現ネイチャーワークス) は、ポリ乳酸の重合法の改良により Greener Reaction Conditions Award を受賞しました。残念ながら、ラクチドベースのポリマーは性能が良くなく、ダウは受賞後すぐにプロジェクトを中止しました。乳酸はトウモロコシを発酵させて生成し、効率的なスズ触媒環化反応を使用して乳酸の環状二量体エステルであるラクチドに変換されます。L ,L -ラクチド光学異性体は蒸留によって単離され、溶融状態で重合されて結晶化可能なポリマーになります。このポリマーは、繊維や衣料、食器、食品包装などに使用されています。ネイチャーワークス PLA プロセスは、石油原料の代わりに再生可能な材料を使用し、他の PLA プロセスで一般的な有害な有機溶媒を使用する必要がないため、リサイクルおよび堆肥化可能な高品質のポリマーが得られます。

カーペットタイルの裏地

2003年、Shaw Industriesは、原料の低毒性、優れた接着性、寸法安定性、リサイクル可能性を理由に、ポリオレフィン樹脂の組み合わせをEcoWorxのベースポリマーとして選択しました。また、EcoWorxコンパウンドはナイロンカーペット繊維と互換性があるように設計する必要がありました。EcoWorxはあらゆる種類の繊維から回収できますが、ナイロン6には大きな利点があります。ポリオレフィンは、既知のナイロン6解重合方法と互換性があります。PVCはこれらのプロセスを妨害します。ナイロン6の化学的性質はよく知られており、第一世代の製造では対処されていません。EcoWorxは開始当初から、性能、健康、環境の観点から市場のニーズを満たすために必要な設計基準をすべて満たしていました。研究により、水簸、粉砕、空気分離によって繊維と裏地を分離することが、表面と裏地のコンポーネントを回収する最良の方法であることが示されましたが、使用済みのEcoWorxを水簸プロセスに戻すためのインフラストラクチャが必要でした。調査によると、使用済みタイルカーペットは、耐用年数を過ぎた時点で経済的な価値がプラスに働くことも明らかになりました。EcoWorxは、MBDCによって認定された「ゆりかごからゆりかごまで」のデザインとして認められています。

脂肪のエステル交換

トランス脂肪酸とシス脂肪酸

2005年、アーチャー・ダニエルズ・ミッドランド（ADM）とノボザイムズは、酵素エステル交換プロセスでグリーナー合成経路賞を受賞しました。米国食品医薬品局（FDA）が2006年1月1日までに栄養成分表示にトランス脂肪酸の表示を義務付けたことを受け、ノボザイムズとADMは共同で、飽和脂肪酸と不飽和脂肪酸を交換することで油脂をエステル交換するクリーンな酵素プロセスを開発しました。その結果、トランス脂肪酸を含まない商業的に実現可能な製品が誕生しました。このプロセスは、トランス脂肪酸の除去による人体への健康効果に加え、有毒化学物質や水の使用を削減し、大量の副産物の発生を防ぎ、油脂の廃棄量を削減します。

バイオコハク酸

2011年、バイオアンバー社は、バイオ由来のコハク酸の統合生産と下流アプリケーションで、中小企業による優れたグリーンケミストリーの功績賞を受賞しました。コハク酸は、日用品の配合における重要な出発原料となるプラットフォーム化学物質です。従来、コハク酸は石油由来の原料から生産されています。バイオアンバー社は、再生可能原料の発酵によりコハク酸を石油由来の原料よりも低コストで低エネルギー消費で生産し、CO2を排出するのではなく吸収するプロセスと技術を開発しました。[ 33 ]しかし、原油価格の低下により同社は倒産に追い込まれ[ 34 ]、現在ではバイオ由来のコハク酸はほとんど生産されていません。[ 35 ]

実験用化学物質

グリーンケミストリーの観点から、実験室で使用される化学物質の中には議論の的となっているものがあります。マサチューセッツ工科大学は、代替物質の選定を支援する「グリーン」代替物質ウィザード[1]を作成しました。臭化エチジウム、キシレン、水銀、ホルムアルデヒドは、代替物質が存在する「最悪の犯人」として特定されています。[ 36 ]特に溶媒は化学製造における環境への影響に大きく寄与しており、これらのプロセスの開発初期段階、すなわち実験室規模の反応および精製方法に、より環境に優しい溶媒を導入することへの関心が高まっています。[ 37 ]製薬業界では、GSK [ 38 ]とファイザー[ 39 ]の両社が、創薬化学者向けに溶媒選択ガイドを発行しています。

立法

EU

EUは2007年、化学物質の登録、評価、認可及び制限に関する規則（REACH）を導入しました。この規則は、企業に対し、製品の安全性を示すデータの提供を義務付けています。この規則（1907/2006）は、化学物質の危険性と使用時のリスクの評価を保証するだけでなく、特定の物質の使用を禁止、制限、認可するための措置も含んでいます。ヘルシンキに拠点を置くEU化学物質庁（ECHA）がこの規則を施行しており、執行はEU加盟国が担っています。

アメリカ合衆国

アメリカ合衆国は、環境規制の制定と施行を通じて人類と環境の健康を守るため、1970年に環境保護庁（EPA）を設立しました。グリーンケミストリーは、EPAの目標に基づき、化学者や技術者に対し、毒素や廃棄物の発生を回避する化学物質、プロセス、製品の設計を奨励しています。[ 40 ]

米国の法律で工業用化学物質の大部分（農薬、食品、医薬品を除く）を規制しているのは、1976年に制定された有害物質規制法（TSCA）である。米国におけるグリーンケミストリーの発展を形作る規制プログラムの役割を検証したアナリストらは、TSCAの構造的な欠陥と長年の弱点を明らかにした。例えば、カリフォルニア州議会に提出された2006年の報告書では、TSCAによって、化学物質の機能、価格、性能に比べて有害性が軽視される国内化学物質市場が生み出されたと結論付けている。[ 41 ]学者たちは、このような市場状況が米国におけるグリーンケミストリーの科学的、技術的、商業的成功に対する大きな障壁となっており、これらの弱点を修正するには根本的な政策変更が必要だと主張している。[ 42 ]

1990年に可決された公害防止法は、環境問題が起こる前にそれを予防することで、公害に対処するための新しいアプローチを促進するのに役立ちました。

グリーンケミストリーは、 1990年に汚染防止法が可決された後、米国で人気が高まりました。この法律は、汚染は処理や廃棄ではなく、設計と製品の改良によって低減されるべきであると宣言しました。これらの規制により、化学者は汚染について改めて考え、大気中の毒素を制限する方法を研究するようになりました。1991年、EPA（環境保護庁）汚染防止・毒性局は、環境と人間の健康への影響を制限するための化学製品とプロセスの研究と再開発を奨励する研究助成プログラムを創設しました。 [ 43 ] EPAは、グリーンケミストリーの開発と利用による経済的および環境的利益を促進するために、毎年グリーンケミストリーチャレンジを主催しています。[ 44 ]

2008年、カリフォルニア州はグリーンケミストリーの促進を目的とした2つの法律を承認し、カリフォルニア・グリーンケミストリー・イニシアチブを開始しました。これらの法律の1つは、カリフォルニア州有害物質管理局（DTSC）に対し、「懸念される化学物質」を優先し、有害な化学物質をより安全な代替品に置き換えることを促進するための新たな規制を策定することを義務付けました。この規制は2013年に施行され、DTSCのより安全な消費者製品プログラムが開始されました。[ 45 ]

グリーンケミストリーに特化した科学雑誌

議論の余地のある定義

グリーンケミストリーの定義、そしてそれが科学界、政策立案界、そしてビジネス界全体においてどのように理解されているかについては、曖昧さが存在します。化学の分野においてさえ、研究者たちはアナスタスとワーナーが提唱した枠組み（すなわち12原則）とは独立して、様々な研究を説明するために「グリーンケミストリー」という用語を使用してきました。[ 14 ]この用語の使用法のすべてが正当であるとは限らないものの（グリーンウォッシング参照）、多くの用法は正当であり、単一の定義の権威性は不明確です。より広く言えば、グリーンケミストリーの概念は、グリーンエンジニアリング、環境デザイン、あるいは一般的な持続可能性といった関連概念と容易に結び付けられ（あるいは混同され）る可能性があります。グリーンケミストリーの複雑さと多面的な性質は、明確でシンプルな指標を策定することを困難にしています。その結果、「何がグリーンなのか」はしばしば議論の的となっています。[ 46 ]

受賞歴

いくつかの科学団体はグリーンケミストリーの研究を奨励するために賞を創設しています。

  • オーストラリア王立化学協会(RACI)が監督するオーストラリアのグリーンケミストリーチャレンジ賞。
  • カナダグリーンケミストリーメダル[ 47 ]
  • イタリアでは、グリーンケミストリー活動はINCAとして知られる大学間コンソーシアムを中心に行われています。[ 48 ]
  • 日本では、グリーン＆サステイナブルケミストリーネットワークがGSC賞プログラムを監督しています。[ 49 ]
  • イギリスでは、グリーン化学技術賞はクリスタル・ファラデーによって授与されている。[ 50 ]
  • 米国では、大統領グリーンケミストリーチャレンジ賞が個人や企業を表彰しています。[ 51 ] [ 52 ]

参照

参考文献

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