Renere organisk kjemi med katalyse

Like dokumenter
Renere organisk kjemi med katalyse

Renere organisk kjemi med katalyse

- En essensiell katalysator i næringsklyngene? Forskningsrådets miniseminar 12. april Mer bioteknologi i næringslivet hvordan?

Miljøbioteknologi. Olav Vadstein og Kjetill Østgaard Institutt for Bioteknologi, NTNU. Foredrag TEKNA Bioteknologiseminar, Trondheim, 8.

Chemical Concept Inventory

Verdikjederegnskap/LCA for produkter og ISO-standard om Produkters klimaspor. Klimagassvekting av energibærere Bellonaseminar 26.

b) Beregn varmemengden som blir frigitt hvis metangassen fra a) forbrennes. Anta at reakjonen går isotermt og isobart ved 1 atm og 298K: (5p) Figur 1

Handlingsplan for Katalyse og organisk kjemi II

UNIVERSITETET I OSLO

Kapittel 12. Brannkjemi Brannfirkanten

1. UTTAKSPRØVE. til den 44. Internasjonale Kjemiolympiaden i Washington DC, USA. Oppgaveheftet skal leveres inn sammen med svararket

Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet, Trondheim Institutt for kjemi. Bokmål Student nr.:

Ole Isak Eira Masters student Arctic agriculture and environmental management. University of Tromsø Sami University College

Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet, Trondheim Institutt for kjemi. Bokmål Student nr.:

Bruk av Aluminium Offshore & i Industrien

Bokmâl. Eksamen I emne TKJ4100. Organisk kj emi-grunnkurs. lnstitutt for kjemi Side 1 av 5 sider NTNU. Kontaktperson: 1. Amanuensis Odd R.

Eksamensoppgave i TKJ4150 Organisk syntese I

3. Balansering av redoksreaksjoner (halvreaksjons metoden)

Økologisk økonomi Ny økonomi for livskraftige samfunn og bærekraftig natur

UNIVERSITETET I OSLO

melting ECMI Modelling week 2008 Modelling and simulation of ice/snow melting Sabrina Wandl - University of Linz Tuomo Mäki-Marttunen - Tampere UT

EKSAMEN I EMNE TMT4110 KJEMI. BOKMÅL (Nynorsk s. 5 7) Lørdag 12. juni 2010 Tid: 9:00 13:00

SERVICE BULLETINE

Sikkerhetsrisiko:lav. fare for øyeskade. HMS ruoner

NO X -chemistry modeling for coal/biomass CFD

1. UTTAKSPRØVE. til den 1. Nordiske kjemiolympiaden. i København

2. Kjemisk likevekt Vi har kjemisk likevekt når reaksjonen mot høgre og venstre går like fort i en reversibel reaksjon.

Miljøpåvirkning og legemiddelgodkjenning Hva sier regelverket? Steinar Madsen Statens legemiddelverk

HONSEL process monitoring

Lovlig bruk av Cloud Computing. Helge Veum, avdelingsdirektør Difi, Oslo

UNIVERSITETET I OSLO

Visjoner og ambisjoner for UiOs energisatsning. Rektor Ole Petter Ottersen

Kjemi. Kjemi er læren om alle stoffers. oppbygging, egenskaper og reaksjoner reaksjoner i

Medvirkningsuka klima og energi: Klimatilpasning Indikatorer for bærekraftig samfunnsutvikling Helene Irgens Hov, Victoria Stokke

Først og sist Resultatspredning

STILLAS - STANDARD FORSLAG FRA SEF TIL NY STILLAS - STANDARD

Dynamic Programming Longest Common Subsequence. Class 27

GoOpen 2008 Oslo 8. april. Jernbaneverket Fri programvare i driftskritiske systemer. Ole Morten Killi ole.morten.killi@bouvet.

Nytt EU-direktiv om forebygging av stikkskader, betydning for oss? Dorthea Hagen Oma Smittevernlege Helse Bergen

Lovlig bruk av Cloud Computing. Helge Veum, avdelingsdirektør Cloud Inspiration Day, UBC

Kjemisk likevekt. La oss bruke denne reaksjonen som et eksempel når vi belyser likevekt.

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Eksamen TKJ TKJ Vår Ex juni 2008

Perpetuum (im)mobile

Issues and challenges in compilation of activity accounts

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN I EMNE TMT4110 KJEMI Lørdag 12. juni 2010 Tid: 9:00 13:00

Smart High-Side Power Switch BTS730

Teoretisk kjemi. Trygve Helgaker. Centre for Theoretical and Computational Chemistry. Kjemisk institutt, Universitetet i Oslo. Onsdag 13.

Oppgave 1 (35 poeng) 1. uttak til den 38. Kjemiolympiaden, Fasit og poengberegning. 1) D 2) B 3) A 4) A 5) D 6) C 7) D 8) C

BioCarb+ NFR KPN prosjekt MNOK. Enabling the biocarbon value chain for energy

Risikostyring i et samfunnssikkerhetsperspektiv. Terje Aven Universitetet i Stavanger

Emnedesign for læring: Et systemperspektiv

Internasjonale aktiviteter innenfor funksjonskontroll med bidrag fra PFK

2. Hva er formelen for den ioniske forbindelsen som dannes av kalsiumioner og nitrationer?

The building blocks of a biogas strategy

EKSAMENSOPPGAVE I KJE-1001

UNIVERSITETET I OSLO

Requirements regarding Safety, Health and the Working Environment (SHWE), and pay and working conditions

5 Kommunikasjonsbransjen og retorikk. Dagens plan. Hva er retorikk?

Bærekraftig utvikling gjennom BREEAM Communities

Løsninger eksamensoppgaver TKJ

Akademisk frihet under press

Forebygging av stikkskader og ny forskrift. Dorthea Hagen Oma Smittevernoverlege Helse Bergen

Unit Relational Algebra 1 1. Relational Algebra 1. Unit 3.3

EU har forpliktet seg til å nå følgende mål innen 2020: NS-EN ny standard for energiledelse. Kutte utslipp av drivhusgasser med minst 20 %

Bostøttesamling

Justeringsanvisninger finnes på de to siste sidene.

EKSAMENSOPPGAVE. Kalkulator «Huskelapp» -A4 ark med skrift på begge sider Enkel norsk-engelsk/engelsk-norsk ordbok

Examination paper for (BI 2015) (Molekylærbiologi, laboratoriekurs)

- Kinetisk og potensiell energi Kinetisk energi: Bevegelses energi. Kinetiske energi er avhengig av masse og fart. E kin = ½ mv 2

Studieplan for KJEMI 1

Eksamen i emnet TKJ4135 Organisk Syntese VK

EU - prosjekt for utvikling av miljøfotavtrykk. Eksempel: Dekorative malinger

Midler til innovativ utdanning

Trygve Helgaker. 31 januar 2018

... Annita Fjuk DESIGN THINKING

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Lydia Rice, Doctoral Student University of Arkansas Advisor: Jean-François Meullenet

6350 Månedstabell / Month table Klasse / Class 1 Tax deduction table (tax to be withheld) 2012

Fasit oppdatert 10/9-03. Se opp for skrivefeil. Denne fasiten er ny!

UNIVERSITETET I OSLO

BIBSYS Brukermøte 2011 Live Rasmussen og Andreas Christensen. Alt på et brett? -om pensum på ipad og lesebrett

Education 436. September 14, 2011

PURA DESIGNMANUAL SIST OPPDATERT AUGUST 2008 UTVIKLET AV SOMMERSETHDESIGN.NO

5 E Lesson: Solving Monohybrid Punnett Squares with Coding

Andrew Gendreau, Olga Rosenbaum, Anthony Taylor, Kenneth Wong, Karl Dusen

Our Trees. Our Roots. Our Future.

Disiplinutdanning vs profesjonsutdanning?

Interaksjonsdesign Utvikling for og med brukere

Hvor, når og hvordan skal de gamle få lov til å dø?

Informasjon til Sikkerhetsforum. Hammerfest

Recessed high tech, linear downlight - The result of lengthy research to produce a product with a high level of visual comfort.

Stian Antonsen, SINTEF Teknologiledelse Teknologi og samfunn

3. Massevirkningsloven eller likevektsuttrykk for en likevekt

UNIVERSITETET I OSLO

Oppgave. føden)? i tråd med

Kjønnsperspektiv I MNT utdanning og forskning

Transkript:

Renere organisk kjemi med katalyse Foredrag ved Cappelen-Damms kjemikurs for lærere Thon Hotell pera, slo, 24. mai 2012 Mats Tilset, Kjemisk institutt, Universitetet i slo mats.tilset@kjemi.uio.no Mats Tilset

Katalysegruppen ved Kjemisk institutt Karl Petter Lillerud Unni lsbye Stian Svelle Mats Tilset Fire fast vitenskapelig ansatte som forsker med en felles visjon: "Rasjonell design av nye og forbedrede katalysatorer basert på fundamental mekanistisk innsikt" Mats Tilset 2

Kjemi en eksperimentel vitenskap (in laboratorio og in silico) Mats Tilset 3

Temaer som vi skal innom Kjemi angår det deg? Grønn kjemi Katalyse Eksempler på grønn og ugrønn kjemi og anvendelse av katalyse i forskjellige miljøer ppsummerende refleksjoner Mats Tilset 4

Produksjon av kjemikalier Kjemiske stoffer benyttes i alle våre daglige gjøremål, og vi er fullstendig avhengige av kjemisk produksjon og industri. Alt menneskelig forbruk og all produksjon genererer avfall! E-faktor = samlet avfall (kg) / produkt (kg) Industrisektor Årlig produksjon (t) E-faktor Produsert avfall (t) ljeraffinering 10 6 10 8 Ca. 0.1 10 5 10 7 Bulkkjemikalier 10 4 10 6 <1 5 10 4 5 10 6 Finkjemikalier 10 2 10 4 5 50 5 10 2 5 10 5 Farmasøytika 10 10 3 25 100 2.5 10 2 10 5 Mats Tilset 5

Grønn kjemi Fra det kvalitetssikrete norsk nettleksikon, http://snl.no: Bærekraftig kjemi, betegnelse på 12 prinsipper for kjemisk virksomhet der målet er å eliminere dannelse av farlige forbindelser i fremstilling og utnyttelse av kjemiske produkter. Det er bedre å unngå produksjon av avfallsstoffer enn å fjerne dem i ettertid. Kjemiske prosesser skal være atom- og energieffektive, benytte seg av fornybare råvarer, og unngå bruk av toksiske og/eller farlige kjemikalier og løsemidler. De kjemiske produktene skal være nedbrytbare i miljøet. Grønn kjemi tar utgangspunkt i en fundamental forståelse av kjemien på molekylært nivå og resulterer i miljøvennlige produkter og prosesser. Når disse prinsippene settes i verk for fullt vil det medføre et paradigmeskifte for kjemisk industri. Mats Tilset 6

Grønn kjemi de 12 bud 1. Prevention It is better to prevent waste than to treat or clean up waste after it has been created. 2. Atom Economy Synthetic methods should be designed to maximize the incorporation of all materials used in the process into the final product. 3. Less Hazardous Chemical Syntheses Wherever practicable, synthetic methods should be designed to use and generate substances that possess little or no toxicity to human health and the environment. 4. Design Safer Chemicals Chemical products should be designed to effect their desired function while minimizing their toxicity. 5. Safer Solvents and Auxiliaries The use of auxiliary substances--solvents, separation agents, and others--should be made unnecessary wherever possible and innocuous when used. 6. Design for Energy Efficiency Energy requirements of chemical processes should be recognized for their environmental and economic impacts and should be minimized. If possible, synthetic methods should be conducted at ambient temperature and pressure. 7. Use Renewable Feedstocks A raw material or feedstock should be renewable rather than depleting whenever technically and economically practicable. 8. Reduce Derivatives Unnecessary derivatization--use of blocking groups, protection/deprotection, and temporary modification of physical/chemical processes--should be minimized or avoided if possible, because such steps require additional reagents and can generate waste. 9. Catalysis Catalytic reagents (as selective as possible) are superior to stoichiometric reagents. 10. Design for Degradation Chemical products should be designed so that at the end of their function they break down into innocuous degradation products and do not persist in the environment. 11. Real-Time Analysis for Pollution Prevention Analytical methodologies need to be further developed to allow for real-time, in-process monitoring and control prior to the formation of hazardous substances. 12. Inherently Safer Chemistry for Accident Prevention Substances and the form of a substance used in a chemical process should be chosen to minimize the potential for chemical accidents, including releases, explosions, and fires. Anastas og Warner: Green Chemistry. Theory and Practice, 1998. Mats Tilset 7 Paul Anastas, Yale Univ.

Katalyse: Tema for 4 Nobelpriser i kjemi etter år 2000 Langsiktig og grunnleggende forskning ga resultater! 2001: William S. Knowles, Ryoji Noyori, K. Barry Sharpless Kiral (asymmetrisk) katalyse 2005: Yves Chauvin, Robert H. Grubbs, Richard R. Schrock lefin metatese C=C bindingsdannelse 2007: Gerhard Ertl Heterogen katalyse og overflater 2010: Richard F. Heck, Ei-ichi Negishi, Akira Suzuki C-C koblingsreaksjoner S S H N Katalysator H N + TBS TBS H 2 C CH 2 Mats Tilset 8

Hva er en katalysator? En katalysator er et stoff som har evnen til å øke en kjemisk reaksjons hastighet uten selv å bli varig kjemisk forandret ved reaksjonen. Etter reaksjonen gjenfinner man katalysatoren i uforandret mengde og i uforandret tilstand; derfor inngår den heller ikke i reaksjonsligningen for prosessen. Mats Tilset 9

Katalysert og ukatalysert reaksjon Energi uten katalyse E a Reaktanter med katalyse Produkter Katalysatoren øker reaksjonshastigheten ved å senke reaksjonens aktiveringsenergi E a. Dette skjer ved at katalysatoren åpner døren til en ny reaksjonsvei (reaksjonsmekanisme). Reaks j onskoordinat ( rea ks j onsgrad på molekylnivå) Mats Tilset 10

Katalysert reaksjon reaktanter produkter Katalysatorer muliggjør reaksjoner som ville vært forsvinnende langsomme uten katalysator og dermed muliggjøres også nye kjemiske reaksjoner De kjemiske reaksjonene foregår ved at reaktantene reagerer midlertidig med de katalytiske materialene eller forbindelsene Mer enn 70 % av alle eksisterende industrielle kjemiske prosesser foregår ved hjelp av katalyse Mats Tilset 11

Influensamedisiner Vanlig smerte/feberstillende: Aktualisert med svineinfluensaen: Acetylsalicylsyre Paracetamol Tamiflu H HN H N H NH 2 Mats Tilset 12

Fremstilling av Tamiflu (1 av 2) N H NH 2 Mats Tilset 13

Fremstilling av Tamiflu (2 av 2) N H NH 2 Mats Tilset 14

Plantevernmiddelet Roundup H H N P H H Glyphosate - aktiv ingrediens i Roundup Gammel prosess: Meget farlige utgangsstoff, mye problemavfall. NH 3 + CH 2 = + HCN ammoniakk formaldehyd blåsyre NH 3 + H 2 C CH 2 ammoniakk etylenoksid Ny prosess: Mindre farlige utgangsstoff, katalyse, mindre avfall. HN HN CH 2 CN CH 2 CN dicyanometylamin CH 2 CH 2 H CH 2 CH 2 H dietanolamin NaH, H 2 Cu-katalysator NaH NaC CH 2 H N CNa CH2 DSIDA (DiSodium IminoDiAcetate DSIDA (DiSodium IminoDiAcetate): en nøkkelforbindelse i produksjonen av plantevernmidlet Roundup Ultra Max. Mats Tilset 15

ksidasjon av alkoholer En velkjent organisk reaksjon: H K 2 Cr 2 7 aceton H 2 S 4 Balansert ligning: H 3 + K 2 Cr 2 7 + 4 H 2 S 4 3 + Cr 2(S 4)3 + K 2 S 4 + 7 H 2 Molmasse 100,2 Molmasse 98,1 Molmasse 98,1 Når vi lager 100,0 g sykloheksanon fra 101,9 g sykloheksanol, så lager vi også 133,3 g Cr 2 (S 4 ) 3 59,2 g K 2 S 4 114,1 g vann Molmasse 294,2 Molmasse 392,2 Molmasse 174,3 Mats Tilset 16

ksidasjon av alkoholer et grønnere alternativ H Ca ( Cl)2 acetonitril CH 3 CH Balansert ligning: H 2 + Ca ( Cl)2 2 + CaCl 2 + 2 H 2 Molmasse 100,2 Molmasse 98,1 Molmasse 141,9 Molmasse 111,0 Når vi lager 100,0 g sykloheksanon fra 101,9 g sykloheksanol, så lager vi også 56,6 g CaCl 2 32,3 g vann Mats Tilset 17

ksidasjon av alkoholer et enda grønnere alternativ H + 2 ( luft) Pd katalysator toluen + H 2 Katalysator: N N C Pd(CCH 3)2 Når vi lager 100,0 g sykloheksanon fra 101,9 g sykloheksanol, så lager vi også 16,3 g vann Mats Tilset 18

Tommy tar helt feil (som vanlig) Utvikling av forbedrete kjemiske prosesser er en særdeles rasjonell vitenskap, basert på grunnleggende forståelse av hva som foregår på molekylnivå Mats Tilset 19

Katalytiske reaksjonsveier Mats Tilset 20

Katalytiske sykluser Prekatalysator Produkt A Reaktant D B E Ikke-produktive likevekter Medreaktant C Deaktivering av katalysatoren (katalysatordød) F Bireaks j oner Mats Tilset 21

Et eksempel: Monsantos eddiksyre-prosess CH 3 H + C Rh, I 2 kat. 150-200ºC, 30-60 atm. CH 3 CH CH 3 CH/H 2 Katalysert av Rh (rhodium) Katalysert av I Milde reaksjonsbetingelser >99.5% selektivitet basert på metanol Høye reaksjonshastigheter 7 millioner tonn/år Gradvis erstattet med Ir (iridium) Mats Tilset 22

Eddiksyreprosessen i mer detalj RhCl 3 C, I C C Rh I I hastighetsbegrensende CH 3 CI CH 3 I C CH 3 C I Rh I C I CH 3 CH H 2 HI CH 3 H C C CH 3 I Rh I I C C CH 3 C Rh I Mats Tilset 23 I I

Eddiksyreprosessen i full detalj Mats Tilset 24

Veien mot grønn kjemi og bærekraftig produksjon Storskala produksjon av enkle organiske kjemikalier (bulkkjemikalier) kjennetegnes allerede av utstrakt bruk av katalyse og effektive prosesser men det er stort rom for forbedringer Med dagens syntesemetoder i organisk kjemi kan man lage «nesten hva det skal være» Bruken av lange sekvenser med støkiometriske reaksjoner fører til høye E-verdier i produksjon av lav-volums spesialkjemikalier Situasjonen kan kun forbedres ved satsing på forskning Nye syntesemetoder Nye katalysatorer Grunnleggende, fri forskning må til Løsningene på fremtidens problemer er ikke kjent i dag og kan neppe finnes med ensidig satsing på stramt styrte forskningsprogrammer Kjemi vil være en nøkkelvitenskap arbeidet med energi-, ressursog miljøutfordringene vi står overfor Mats Tilset 25