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Grüne Chemie
In der grünen Chemie gibt es eine Vielzahl von Metriken, z. B. die Atomökonomie und den E-Faktor, die im Laufe der Jahre entwickelt wurden, um die Effizienz …
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Begriff und Zielsetzung
Grüne Chemie, auch nachhaltige Chemie, ist eine Art von Chemie, die Umweltverschmutzung eindämmen, Energie sparen und möglichst umweltverträglich produzieren soll. Gleichzeitig sollen Gefahren sowohl bei der Herstellung als auch durch das Produkt vermieden werden. Dafür sind neuartige Techniken nötig. Ein möglicher Ansatz ist, Kunststoffe oder Ethanol aus nachwachsenden Rohstoffen statt aus Erdöl herzustellen.
Sie betrifft alle Bereiche der Chemie: organische und anorganische Chemie, Biochemie, analytische Chemie und physikalische Chemie. Sie wird daher nicht nur in der Industrie umgesetzt. Von der Umweltchemie unterscheidet sie sich dadurch, dass Umweltchemie die Ausbreitung, Umwandlung und Wirkung chemischer Stoffe in der belebten und unbelebten Umwelt untersucht; grüne Chemie gestaltet dagegen Stoffe und Prozesse vorsorglich umweltverträglicher.
Entwicklung des Konzepts
1991 führte Barry M. Trost das Konzept der Atomökonomie ein, 1992 entwickelte Roger A. Sheldon den E-Faktor. Beide sind Kennzahlen, mit denen sich Nachhaltigkeitsaspekte chemischer Synthesen quantifizieren lassen. Die grüne Chemie entstand aus diesen und weiteren Ideen, als chemische Verschmutzung und die Erschöpfung von Ressourcen stärker in den Vordergrund rückten.
In Europa und den Vereinigten Staaten verlagerte sich die Strategie: Statt Umweltprobleme vor allem durch Vorschriften sowie die nachträgliche Verringerung industrieller Emissionen „am Ende der Leitung“ zu behandeln, sollte Verschmutzung bereits durch die Gestaltung von Produktionstechnologien vermieden werden. 1998 entwickelten Paul Anastas und John C. Warner zwölf Grundprinzipien als Rahmen für umweltfreundlichere Chemikalien, Verfahren und Produkte. Mitte bis Ende der 1990er Jahre setzte sich dafür der Begriff „grüne Chemie“ gegenüber Begriffen wie „saubere“ und „nachhaltige“ Chemie durch.
In den USA förderte die Environmental Protection Agency (EPA) das Gebiet früh durch Programme zur Vermeidung von Umweltverschmutzung, Finanzierung und technische Koordinierung. Im Vereinigten Königreich entstanden an der Universität York das Green Chemistry Network innerhalb der Royal Society of Chemistry und die Zeitschrift Green Chemistry. In Deutschland gründete die Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) die Fachgruppe Nachhaltige Chemie.
Methoden, Rohstoffe und Bewertung
Click-Chemie wird oft als besonders grüne Form der chemischen Synthese bezeichnet. Ryōji Noyori nannte 2005 drei wichtige Entwicklungen: überkritisches Kohlenstoffdioxid als grünes Lösungsmittel, in Wasser gelöstes Wasserstoffperoxid für grüne Oxidationen und Wasserstoff für stereoselektive Synthesen. Stereoselektive Synthesen erzeugen gezielt eine bestimmte räumliche Form eines Moleküls.
Weitere Beispiele sind Oxidationen mit überkritischem Wasser, auch Supercritical Water Oxidation, und lösungsmittelfreie Reaktionen, Dry Media Reactions. Beim Bioengineering können Mikroorganismen wichtige Chemikalien herstellen, etwa Shikimisäure. Plattformchemikalien, also Ausgangsstoffe für weitere chemische Produkte, lassen sich durch Pyrolyse aus lignocellulosischer Biomasse wie Holz gewinnen. Auch Polymere auf Basis nachwachsender Fette und Öle wurden beschrieben.
Zur Bewertung chemischer Prozesse dienen Metriken wie Atomökonomie und E-Faktor. Sie quantifizieren Effizienz oder Nachhaltigkeit, ermöglichen Vergleiche zwischen Syntheserouten und machen Veränderungen messbar, damit Prozesse optimiert werden können. Chemiker und Ingenieure messen, verfolgen und bewerten damit Leistungen etwa im Bereich Nachhaltigkeit.
Die zwölf Grundprinzipien
Die von Paul Anastas und John C. Warner entwickelten Prinzipien verlangen vor allem, Abfall und Verschmutzung von vornherein zu vermeiden, statt sie später zu entsorgen oder aufzuarbeiten. Synthesen sollen eine hohe Atomeffizienz haben: Im Endprodukt soll ein Maximum der Atome der eingesetzten Edukte enthalten sein. Edukte sind die Ausgangsstoffe einer Reaktion.
Synthetische Methoden sollen keine Edukte einsetzen oder Produkte bilden, die Menschen oder Umwelt gefährden. Stoffe sollen bei gleicher Funktion möglichst wenig toxisch sein. Lösungsmittel und Hilfsstoffe sollen vermieden werden; falls sie notwendig sind, sollen sie eine möglichst geringe Toxizität besitzen. Der Energieverbrauch soll sinken; Prozesse sollen möglichst bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck ablaufen.
Erneuerbare Ressourcen sind zu bevorzugen. Zusätzliche Zwischenstufen und Derivate, etwa Schutzgruppen, sollen reduziert oder ganz vermieden werden, weil sie zusätzliche Reagenzien benötigen und Abfall erzeugen. Katalysatoren sind stöchiometrischen Reagenzien vorzuziehen. Produkte sollen nach ihrer Nutzung natürlich abbaubar sein, ohne die Umwelt zu schädigen. Außerdem soll eine Echtzeitüberwachung Verunreinigungen schon im Prozess verhindern. Die Auswahl der Edukte soll grundsätzliche Risiken wie Explosion, Feuer oder unbeabsichtigte Freisetzung vermeiden.
Regeln, Kritik und Auszeichnung
In der Europäischen Union gilt seit 2007 REACH, die Verordnung (1907/2006) zur Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung von Chemikalien. Unternehmen müssen Daten vorlegen, welche die Sicherheit ihrer Produkte belegen. REACH bewertet Gefahren und Risiken und kann Stoffe verbieten, beschränken oder zulassen. Die Europäische Chemikalienagentur in Helsinki setzt die Verordnung um; für den Vollzug sind die EU-Mitgliedstaaten zuständig.
In den USA wurde die EPA 1970 gegründet. Der Toxic Substances Control Act (TSCA) von 1976 regelt die meisten Industriechemikalien, ausgenommen Pestizide, Lebensmittel und Arzneimittel. Analysten beschrieben strukturelle Mängel und lang bestehende Schwächen des TSCA; ein Bericht an die kalifornische Legislative von 2006 sah dadurch gefährliche Eigenschaften gegenüber Funktion, Preis und Leistung benachteiligt. Nach dem Pollution Prevention Act von 1990 gewann grüne Chemie an Popularität: Umweltverschmutzung sollte durch besseres Design von Produkten und Prozessen statt durch Behandlung und Entsorgung sinken. Die EPA fördert Forschung und veranstaltet jährlich die „The Green Chemistry Challenge“. Kalifornien schuf 2008 mit zwei Gesetzen die California Green Chemistry Initiative; daraus ging nach 2013 das Safer Consumer Products Program der DTSC hervor.
Kritisch bewertet das Umweltbundesamt Biodiesel aus nachwachsenden Ölen und Fetten. Er habe eine mäßige Ökobilanz und sei als Kraftstoff für Kfz und Lkw volkswirtschaftlich nicht sinnvoll; für Sportboote sei er unter Gesichtspunkten des Gewässerschutzes empfehlenswert. Die GDCh verleiht für Leistungen auf diesem Gebiet den Wöhler-Preis für Nachhaltige Chemie.