วิทยาศาสตร์ ดาราศาสตร์ ฟิสิกส์ เคมี ชีววิทยา >>

เคมีสีเขียว

ดร.นพพร ทัศนา ห้องปฏิบัติการเภสัชเคมี สถาบันวิจัยจุฬาภรณ์ (CRI)
โปรแกรมเคมีชีวภาพ สถาบันบัณฑิตศึกษาจุฬาภรณ์ (CGI)

“เคมีสีเขียว” ศาสตร์แขนงหนึ่งที่ยึดหลักปรัชญาในกระบวนการออกแบบและสังเคราะห์วัสดุหรือสารเคมี โดยการลด ละ หรือหลีกเลี่ยงการใช้หรือสังเคราะห์สารที่ก่อให้เกิดอันตรายและเป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อม ดังนั้นกระบวนการหรือขั้นตอนทางเคมี รวมถึงการวางแผนการปฏิบัติการที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม จึงเป็นหัวใจและกลไกสำคัญของ “เคมีสีเขียว” ต่างจากเคมีสิ่งแวดล้อม (Environmental Chemistry) ที่ศึกษาถึงสาเหตุ แหล่งที่มา ปฏิกิริยาและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมทั้งทาง อากาศ ดิน และ น้ำ รวมถึงผลกระทบต่อกิจกรรมในการดำรงชีวิตของหมู่มวลมนุษย์ อันเนื่องจากกระบวนการสังเคราะห์สารหรือใช้สารเคมีในลักษณะต่างๆ

“เคมีสีเขียว” จะมองไปที่รากเหง้าอันเป็นบ่อเกิดและจุดเริ่มต้นของปัญหามลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม ตัวอย่างเช่น ถ้ามีการสังเคราะห์หรือผลิตสารเคมีตัวหนึ่งขึ้นมา โดยมีการใช้สารตั้งต้นหรือสารที่ใช้ในปฏิกิริยาตลอดจนกระทั่งตัวทำละลายที่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม การหาสารอื่นที่ไม่เป็นอันตรายทดแทนหรือการเปลี่ยนกระบวนการตลอดจนเลือกตัวทำละลายที่ไม่ก่อให้เกิดมลภาวะจะเป็นสิ่งที่ “เคมีสีเขียว” คำนึงถึงและเลือกใช้เป็นแนวทางทดแทนกระบวนการเดิมที่ก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม

“เคมีสีเขียว” สามารถสอดแทรกอยู่ได้ในเคมีพื้นฐานแขนงต่างๆไม่ว่าจะเป็น อินทรีย์เคมี (organic chemistry) อนินทรีย์เคมี (inorganic chemistry) ชีวเคมี (biochemistry) เคมีชีวภาพ (chemical biology) เคมีวิเคราะห์ (analytical chemistry) หรือแม้แต่ ฟิสิกคัลเคมี (physical chemistry) ตลอดจนมีการประยุกต์ใช้ในภาคอุตสาหกรรมที่มีการใช้กระบวนการทางเคมีในแขนงต่างๆ เช่น ปิโตรเคมี โพลิเมอร์ นาโนเทคโนโลยี เป็นต้น ทั้งนี้ด้วยวัตถุประสงค์อันเป็นจุดมุ่งหมายเดียวกัน คือการทำให้เกิดมลภาวะน้อยที่สุด แต่เพิ่มประสิทธิผลและศักยภาพของกระบวนการผลิตและสังเคราะห์ ตลอดจนการนำไปใช้ประโยชน์

Paul Anastas และ John C. Warner  ได้คิดหลักการ การพัฒนา “เคมีสีเขียว” ไว้ 12 ข้อ ดังนี้

1. ป้องกันการเกิดของเสีย (Prevent waste) โดยการออกแบบกระบวนการการสังเคราะห์ที่ไม่ก่อให้เกิดของเสียเพื่อจะได้ไม่ต้องมีการกำจัดในภายหลัง

2. ออกแบบผลิตภัณฑ์ที่ไม่เป็นพิษ (Design safer chemicals and products) เพื่อให้เป็นผลิตภัณฑ์ที่มีประสิทธิภาพสูงสุด โดยไม่มีพิษหรือมีน้อยที่สุด

3. ออกแบบกระบวนการสังเคราะห์ที่ไม่เป็นอันตราย (Design less hazardous chemical syntheses) โดยการใช้ หรือสังเคราะห์สารที่เป็นพิษน้อยหรือไม่เป็นพิษต่อมนุษย์และสิ่งแวดล้อม

4. การใช้สารหรือวัตถุดิบที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้ (Use renewable feedstock) ซึ่งรวมถึงการใช้วัสดุเหลือใช้หรือทิ้งแล้วจากกระบวนการอื่นๆ

5. การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา (Use catalysts) ที่มีประสิทธิภาพ โดยหลีกเลี่ยงการใช้สารทำปฏิกิริยาในปริมาณมาก (stoichiometric reagents) ปฏิกิริยาที่มีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาจะทำให้เกิดของเสียในปริมาณที่น้อยและสามารถใช้ซ้ำได้หลายครั้งในปฏิกิริยาแบบเดียวกัน ในขณะที่ปฏิกิริยาแบบที่มีการใช้สารในปริมาณเท่ากับหรือมากกว่า (stoichiometric) ปริมาณหน่วยสัมพันธ์ (equivalent) ของสารตั้งต้น จะทำให้เกิดของเสียในปริมาณที่มากและใช้ได้เพียงครั้งเดียว

6. หลีกเลี่ยงการทำอนุพันธ์ที่ไม่จำเป็น (Avoid chemical derivatives) เช่น การใส่หมู่ป้องกัน (protecting groups) ที่ต้องมีการเอาออกในภายหลังทั้งนี้ ขั้นตอนการใส่หมู่ป้องกันและการเอาออก อาจจะเป็นการสร้างของเสียขึ้นมาได้

7. ทำปฏิกิริยาที่ให้มูลค่าทางเศรษฐศาสตร์สูงสุด (Maximize atom economy) โดยการออกแบบกระบวนการที่ให้ผลิตผลอันเกิดจากการรวมตัวของมวลสารตั้งต้นสูงสุด และมีการสูญเสียมวลสารที่ใช้น้อยที่สุด

8. ใช้ตัวทำละลายและกระบวนการที่ปลอดภัย (Use safer solvents and reaction conditions) ตัวทำละลายที่ปลอดภัยและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ได้แก่ น้ำ คาร์บอนไดออกไซด์เหลว (supercritical CO2) และ ตัวทำละลายมีประจุ (ionic liquids) ในขณะที่ตัวทำละลายอินทรีย์ส่วนมากไม่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม การหลีกเลี่ยงใช้สภาวะที่รุนแรง เป็นพิษ มีกรดหรือด่างรุนแรง ถือเป็นอีกหนึ่งปัจจัยควรหลีกเลี่ยงในการทำ “เคมีสีเขียว”

9. เพิ่มประสิทธิภาพของการใช้พลังงาน (Increase energy efficiency) เช่นการทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิปกติ แต่ภายใต้สภาวะความดันสูงจะช่วยทำให้ปฏิกิริยามีประสิทธิภาพมากขึ้น

10. การออกแบบให้ผลิตภัณฑ์ที่ใช้แล้วไม่เป็นอันตราย (Design chemicals and products to degrade after use) ภายหลังการใช้งานผลิตภัณฑ์หรือสารที่ได้จากกิจกรรมนั้นๆ จะต้องมีการสลายตัวในรูปที่ไม่เป็นอันตรายหรือสะสมในสิ่งแวดล้อม

11. มีกระบวนการวิเคราะห์เพื่อป้องกันการเกิดมลภาวะ (Analyze in real time to prevent pollution) ของผลข้างเคียงจากปฏิกิริยาโดยการตรวจสอบและควบคุมตั้งแต่ขั้นตอนการผลิตจนเสร็จสิ้นเพื่อลดหรือกำจัดการเกิดผลข้างเคียง

12. ลดอัตราการเกิดอุบัติเหตุ (Minimize the potential for accidents) โดยการออกแบบและควบคุมปฏิกิริยาไม่ว่าอยู่ในสภาวะของแข็ง ของเหลว หรือแก๊ส เพื่อป้องกันมิให้เกิดการระเบิด ลุกติดไฟหรือถูกปลดปล่อยเข้าสู่ธรรมชาติ

 

โดยสรุปหลักการทั้งหมดสามารถมองเป็นภาพกว้างๆ ครอบคลุมหัวใจหลักของ “เคมีสีเขียว” ได้ดังนี้

1. การออกแบบกระบวนการสังเคราะห์ให้ได้ผลิตผลมากที่สุด
2. การเลือกใช้กระบวนการที่ปลอดภัยและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
3. การออกแบบและเลือกใช้กระบวนการที่ใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด
4. สิ่งที่ดีที่สุดของการจัดการของเสียคือการไม่สร้างของเสีย

กระบวนทางเคมีที่ใช้ในการวิจัยและศึกษาพัฒนา องค์ความรู้ใหม่เพื่อการสังเคราะห์สารที่มีฤทธิ์ทางยา ทางห้องปฏิบัติการเคมี ให้ความสำคัญต่อหลักการ “เคมีสีเขียว”  ซึ่งเป็นการสังเคราะห์แบบใหม่ที่พัฒนาขึ้นโดยคำนึงถึงการใช้ตัวทำละลายที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและเป็นทางเลือกในปฏิกิริยาเคมี “น้ำ” เป็นคำตอบของกระบวนการสังเคราะห์แบบใหม่ที่พัฒนาขึ้น โดยคำนึงถึงความจำเป็นของการใช้น้ำกับตัวทำละลายอินทรีย์ ซึ่งมีความหมายต่อการแยกสารระหว่างสารอินทรีย์เคมีที่ละลายและไม่ละลายในชั้นน้ำ เช่นเดียวกับความจำเป็นในกระบวนการทำให้บริสุทธิ์ที่ต้องคำนึงถึงปัญหาสภาวะแวดล้อมด้วย

นอกจากนี้ การศึกษาการใช้วัฏภาคของแข็งเป็นอีกวิธีการหนึ่งที่แสดงผลอย่างมีนัยสำคัญต่องานวิจัยทางเคมีสังเคราะห์ และช่วยในการลดการใช้ตัวทำละลายภายหลังปฏิกิริยาเสร็จสมบูรณ์ รวมถึงกระบวนการทำให้บริสุทธิ์โดยวิธีโครมาโตรกราฟี นับว่าเป็นทางเลือกที่เป็นประโยชน์ที่สำคัญอีกทางหนึ่ง นอกจากนี้ยังเป็นที่ทราบกันดีว่า การใช้วัฏภาคของแข็งในการพัฒนากระบวนวิธีการสังเคราะห์สารที่มีโครงสร้างสลับซับซ้อน สามารถจำแนกได้เป็นสองแนวทาง ได้แก่ การใช้รีเอเจนต์ที่อยู่บนวัฏภาคของแข็ง และการนำสารสำคัญไปจับกับวัฏภาคของแข็ง ในกรณีแรกรีเอเจนต์และตัวเชื่อมที่จับอยู่บนวัฏภาคของแข็งชนิดต่างๆกันสามารถหาซื้อได้ การเลือกใช้แนวทางใดก็ขึ้นอยู่กับเป้าหมายและลักษณะของงานตลอดจนความหลากหลายของวัสดุที่ใช้ผลิตวัฏภาคของแข็งโดยทั่วไป

ในกรณีที่สอง ที่สารสำคัญไปจับกับวัฏภาคของแข็ง ปฏิกิริยาต่างๆจะเกิดบนบริเวณผิวสัมผัสที่มีหมู่สำหรับการทำปฏิกิริยา ไปจนกระทั่งถึงขั้นตอนสุดท้ายจึงกำจัดเอาส่วนของวัฏภาคของแข็งออกไป โดยเป็นการทำสารให้บริสุทธิ์ในขั้นตอนเดียว อย่างไรก็ตามการวิเคราะห์และตรวจสอบปฏิกิริยาก็มีข้อจำกัดและอาจต้องใช้วิธีการเฉพาะโดยการนำส่วนของวัฏภาคของแข็งบางเม็ดไปทำการวิเคราะห์ ในขณะที่แบบแรกซึ่งรีเอเจนต์จับอยู่บนวัฏภาคของแข็ง จะทำหน้าที่แบบเดียวกับรีเอเจนต์ปกติและสามารถนำออกจากปฏิกิยาได้ง่ายโดยผ่านการกรอง นอกจากนี้ยังสามารถตรวจสอบความก้าวหน้าของปฏิกิริยาได้ตามวิธีการปกติทางโครมาโตรกราฟี อย่างไรก็ตามกระบวนการทำสารให้บริสุทธิ์ในแต่ละขั้นตอนอาจจำเป็นอยู่บ้าง แม้ว่าสารวัฏภาคของแข็งและตัวกำจัดผลข้างเคียงจะช่วยลดปัญหานี้ไปส่วนหนึ่งแล้วก็ตาม

การคิดค้นและพัฒนาหลักการใหม่ในกระบวนการสังเคราะห์ทางเคมีโดยการใช้วัฏภาคของแข็งจึงเป็นสิ่งที่มีความน่าสนใจอย่างยิ่ง ดังแสดงให้เห็นในผลงานจากห้องปฏิบัติการเภสัชเคมี ที่มีการใช้สารรีเอเจนต์ในรูปของวัฏภาคของแข็งที่ให้ผลทางเคมีอย่างเฉพาะเจาะจงที่ดีถึงดีเยี่ยม ยิ่งกว่าการใช้ปฏิกิริยาในตัวทำละลายเคมีตามปกติ นอกจากนี้โดยหลักการแล้ว การใช้วัฏภาคของแข็งมีข้อดีอีกประการหนึ่งคือยังสามารถนำกลับมาสร้างใหม่และใช้ซ้ำติดต่อกันได้

ในปัจจุบันมีการศึกษาวิจัยการใช้พลังงานทางเลือกมากขึ้น เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการต่างๆและลดผลกระทบที่มีต่อสิ่งแวดล้อม ซึ่งเป็นไปตามหลักการของ “เคมีสีเขียว” การนำพลังงานไมโครเวฟมาใช้ ถือเป็นทางเลือกใหม่ ที่เพิ่มประสิทธิภาพในการทำปฏิกิริยาทางเคมีต่างๆที่รวมถึงการสร้างพันธะระหว่างคาร์บอนกับคาร์บอน หรือคาร์บอนกับเฮเทอโรอะตอมต่างๆ เช่น ไนโตรเจน หรือออกซิเจน ประโยชน์ของการนำพลังงานไมโครเวฟมาใช้ในปฏิกิริยาทางเคมีช่วยทำให้เกิดความเชื่อมโยงของเคมีแนวใหม่กับพลังงานที่สะอาด นอกจากนี้พลังงานไมโครเวฟสามารถช่วยย่นระยะเวลาในการทำปฏิกิริยาให้สั้นกว่าการใช้พลังงานแบบเดิม ถือเป็นการลดภาระการใช้พลังงานอย่างสิ้นเปลื้อง

เอกสารอ้างอิง

  • Retrieved from ‘http://en.wikipedia.org/wiki/Green_Chemistry”
  • Williams, Ian. “Environmental Chemistry, A Modular Approach” Wiley. 2001. ISBN 0-471-48942-5
  • Califonia Department of Toxic Substances Control, Green Chemistry Initiative (http://www.dtsc.ca.gov/PollutionPrevention/Green Chemistry Initiative)
  • Anastas, P.; Eghbali, N. “Green Chemistry: Principles and Practice” Chem. Soc. Rev. 2010, 39, 301-312.
  • Chao-Jun Li and Barry M. Trost. Green Chemistry for Chemical Synthesis. PNAS 2008, 105, 13197-13202.
  • Thasana, N. “12 หลักการของเคมีสีเขียว” http://www.etm.sc.mahidol.ac.th/a7.shtml
  • Batsomboon, P.; Phakhodee, W.; Ruchirawat, S.; Ploypradith, P. Generation of ortho-quinone methides by p-TsOH on silica and their hetero-Diels-Alder reactions with styrenes. J. Org Chem. 2009, 74, 4009-4012.
  • Tangdenpaisal, K.; Sualek, S.; Ruchirawat, S.; Ploypradith, P. Factors affecting orthogonality in the deprotection of 2,4-di-protected aromatic ethers employing solid-supported acids. Tetrahedron 2009, 65, 4316-4325.
  • Kappe, C. O.; Stadler, A. “Microwaves in Organic and Medicinal Chemistry” Eds: Mannhold, R.; Kubinyi, H.; Folkers, G. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2005.
  • Boonya-udtayan, S.; Yotapan, N.; Woo, C.; Bruns, C. J.; Ruchirawat, S.; Thasana, N. Synthesis and biological activities of azalamellarins. Chem. Asian. J. 2010, 5, 2113-2123.
  • Thasana, N.; Worayuthakarn, R.; Kradanrat, P.; Hohn, E.; Young, L.; Ruchirawat, S. Copper(I)-mediated and microwave-assisted Caryl-Ocarboxylic coupling: Synthesis of benzopyaranones and isolamellarin alkaloids. J. Org. Chem. 2007, 72, 9379-9382.

แชร์ให้เพื่อนสิ แชร์ให้เพื่อนได้ แชร์ให้เพื่อนเลย

ข้อเขียน-บทความ »

» จินตนา แก้วขาว กราบเธอที่ดวงใจ
» ทะริด ตะนาวศรี คนไทยที่ถูกลืม
» ปู่เย็น ณ สะพานลำใย แห่งลุ่มแม่น้ำเพชรบุรี

» จอมยุทธ แห่งบ้านจอมยุทธ (รวมงานเขียน)
» ฉายเดี่ยว (รวมงานเขียน)
» งูเขียว หางบอบช้ำ (รวมงานเขียน)

» ตีหัวเข้าบ้าน ตะคอกโลก ตีหัวหมา
» ผายลมนี้มีผลย้อนหลัง
» ได้แต่หวังว่า เราจะอยู่ร่วมกันได้บนโลกที่เปรียบเสมือนบ้านของเราใบนี้ ด้วยความรู้สึกที่ดีประดุจดั่งกินข้าวจากหม้อเดียวกัน

» ขอเป็นตาแก่ขี้บ่นในหัวใจเธอ
» เมื่อคนขับรถปลอมตัวไปเล่นหุ้น (บันทึกการเล่นสด)

นิยาย-เรื่องสั้น »

» ตำนานบันลือโลก
» บันทึกทรราชย์
» ผมเกือบได้เป็นนักแต่งเพลงชื่อดังเสียแล้ว
» ชีวิตเริ่มต้นอีกครั้งหลังเกษียณ
» แสนยานุภาพแห่งการรอคอย

สติ๊กเกอร์ไลน์
-สนับสนุนผลงาน
รายได้สมทบทุนยังชีพหลังเกษียณ-