Metriken der grünen Chemie

Grundidee und Arten

Metriken der grünen Chemie, auch Kennwerte der grünen Chemie, beschreiben Aspekte chemischer Prozesse, die mit den 12 Prinzipien der grünen Chemie zusammenhängen. Sie sollen Effizienz und Nachhaltigkeit quantifizieren, technische und ökologische Verbesserungen messbar machen und Prozesse miteinander vergleichbar machen. Eine gute Kennzahl soll klar definiert, einfach, messbar und objektiv sein.

Grundsätzlich gibt es massenbasierte und wirkungsbasierte Metriken. Massenbasierte Metriken vergleichen meist die Masse des gewünschten Produkts mit der Masse von Einsatzstoffen oder Abfällen. Beispiele sind Atomökonomie, E-Faktor, Ausbeute, Reaktionsmasseneffizienz, Massenintensität und effektive Massenausbeute. Ihr Vorteil ist, dass sie einfach zu berechnen sind und oft auf leicht verfügbaren Daten beruhen. Ihr Nachteil ist, dass sie nicht zwischen unterschiedlich schädlichen Abfällen unterscheiden.

Wirkungsbasierte Metriken berücksichtigen zusätzlich die Umweltwirkung von Stoffen, zum Beispiel bei der EcoScale. Sie eignen sich besser, um zwischen mehreren Synthesewegen die umweltfreundlichere Möglichkeit zu wählen. Dafür brauchen sie oft Emissionsdaten und können deutlich komplexer sein, etwa bei Toxizität oder aquatischer Ökotoxizität.

Zentrale Massenkennzahlen

Viele Metriken werden als Verhältnis in kg/kg oder als Prozentwert angegeben. Der E-Faktor EF ist das Verhältnis der Gesamtmasse an Abfall zur Gesamtmasse des Zielprodukts: EF = Gesamtmasse an Abfall / Gesamtmasse des Zielproduktes. Der Optimalwert ist 0.

Die Massenintensität MI beschreibt die im Prozess verwendete Gesamtmasse ohne Wasser pro Produktmasse: MI = im Prozess verwendete Gesamtmasse (ohne H2O) / Gesamtmasse Produkt. Der Optimalwert ist 1. Die Prozessmassenintensität PMI ist ähnlich, bezieht Wasser aber ein: PMI = im Prozess verwendete Gesamtmasse (inkl. H2O) / Gesamtmasse Produkt. Auch hier ist der Optimalwert 1.

Weitere Intensitätswerte betrachten einzelne Materialgruppen: Lösungsmittelintensität SI = Gesamtmasse Lösungsmittel / Gesamtmasse des Zielprodukts, Wasserintensität WI = Gesamtmasse benutztes Wasser / Gesamtmasse des Zielprodukts, Abwasserintensität WWI = Gesamtmasse im Prozess verwendetes Wasser / Gesamtmasse des Zielprodukts. Für diese Werte ist 0 ideal. Die Abfallintensität AI wird als Gesamtmasse an produziertem Abfall / Gesamtmassen Input angegeben.

Prozentuale Kennzahlen sind unter anderem Atomökonomie AE, Kohlenstoffeffizienz CE, Reaktionsmasseneffizienz RME und Massenproduktivität MP. Die Massenproduktivität ist der Kehrwert der Massenintensität in Prozent: MP(%) = 100 % / MI = Gesamtmasse Produkt / im Prozess verwendete Gesamtmasse · 100 %. Ihr Optimalwert ist 100 %.

Atomökonomie, Ausbeute und Stöchiometrie

Die Atomökonomie AE wurde 1991 von Barry M. Trost definiert. Sie ist die gesamte Molmasse des gewünschten Produkts geteilt durch die Summe der gesamten Molmassen aller Reaktanten, ausgedrückt in Prozent: AE(%) = Gesamte Molmasse Produkt · 100 % / Summe der gesamten Molmassen aller Edukte. Sie zeigt, welcher Anteil der Atome der Reaktanten im Endprodukt landet. Eine ideale Reaktion hat AE = 100 %. Die Atomökonomie ist ein theoretischer Wert und kann schon bei der Planung eines chemischen Prozesses berechnet werden.

Die Kohlenstoffeffizienz CE ist eine verwandte Metrik und wurde 2001 von Curzons et al. eingeführt. Sie gibt an, welcher prozentuale Anteil des Kohlenstoffs der Reaktanten im Endprodukt verbleibt: CE(%) = Menge Kohlenstoffatome im Produkt · 100 % / Summe Kohlenstoffatome aller Edukte. Auch hier liegt der Idealwert bei 100 %. Lösungsmittel und Energie werden bei diesen Berechnungen nicht berücksichtigt.

Die Ausbeute ist keine rein grüne Metrik, aber für die Bewertung wichtig. Sie ist das Verhältnis aus tatsächlich gewonnener Stoffmenge an Produkt und theoretisch maximal möglicher Stoffmenge: Ausbeute = tatsächliche Stoffmenge an Produkt / maximal mögliche Stoffmenge an Produkt · 100 %. Eine Ausbeute kann durch großen Überschuss eines Reaktanten erhöht werden, doch das ist nicht automatisch grüner, weil überschüssige Stoffe verschwendet werden können.

Die Stöchiometrie beschreibt Mengenverhältnisse in Reaktionsgleichungen. Werden Reaktanten im Überschuss eingesetzt, spricht man von nicht stöchiometrischen Bedingungen. Der stöchiometrische Faktor SF berücksichtigt solche Überschüsse. Für stöchiometrische Reaktionen gilt SF = 1, bei Überschuss gilt SF > 1.

E-Faktor, Umweltquotient und EcoScale

Roger A. Sheldon entwickelte Ende der 1980er Jahre den E-Faktor. Er ist definiert als Massenverhältnis des Abfalls zum gewünschten Produkt: EF = Gesamtmasse an Abfall / Gesamtmasse des Zielproduktes oder EF = (Summe m(Inputmaterial) - m(Produkt)) / m(Produkt). Ein höherer E-Faktor bedeutet mehr Abfall und damit meist größere negative Umweltauswirkungen. Der ideale E-Faktor ist 0.

In Sheldons Definition wird Wasser generell ausgeschlossen, weil seine Einbeziehung zu sehr hohen E-Faktoren führen und Vergleiche erschweren kann. Eine Schwierigkeit ist die Festlegung der Prozessgrenzen: Es muss klar sein, welche Phasen des Produktions- oder Produktlebenszyklus einbezogen werden.

Für die pharmazeutische Industrie wurden ein einfacher und ein vollständiger E-Faktor entwickelt. Der einfache E-Faktor sEF berücksichtigt weder Lösemittel noch Wasser und eignet sich eher für frühe Routenplanung: sEF = (Summe m(Rohmaterial) + Summe m(Reaktanten) - m(Produkt)) / m(Produkt). Der vollständige E-Faktor cEF berücksichtigt Rohstoffe, Reagenzien, Lösungsmittel und Wasser, ohne Recycling anzunehmen: cEF = (Summe m(Rohmaterial) + Summe m(Reaktanten) + Summe m(Lösungsmittel) + Summe m(Wasser) - m(Produkt)) / m(Produkt).

Da der E-Faktor nur Masse misst, führte Sheldon 1994 den Umweltquotienten EQ ein: EQ = EF · Q. Q ist ein zugewiesener Unfreundlichkeitsquotient, der die Art und Umweltwirkung des Abfalls berücksichtigt. Natriumchlorid könnte zum Beispiel Q = 1 erhalten, ein Schwermetallsalz wie Chrom 100–1000. Die Größe von Q ist umstritten und schwer zu quantifizieren.

Die EcoScale wurde 2006 zur Bewertung synthetischer Reaktionen vorgeschlagen. Sie gibt eine Punktzahl von 0 bis 100 an. Eine ideale Reaktion erhält 100 Punkte: Substrat A reagiert mit preiswerten Verbindungen B bei Raumtemperatur zu 100 % zum gewünschten Produkt C, bei minimalem Risiko für den Bediener und minimaler Umweltwirkung. Für nicht ideale Bedingungen werden Strafpunkte abgezogen, etwa für Kosten, Sicherheit, technischen Aufbau, Energie- und Reinigungsaspekte.

Weitere Prozessmetriken

Die effektive Massenausbeute EMY wurde von Hudlicky et al. vorgeschlagen. Sie ist der prozentuale Anteil der Masse des gewünschten Produkts an der Masse aller nicht-gutartigen Materialien: EMY(%) = Masse Produkt · 100 % / Masse nicht gutartige Reaktanten. Wenn viele Reagenzien als gutartig gelten, kann EMY größer als 100 % werden. Die Metrik ist problematisch, weil „gutartig“ schwer eindeutig zu definieren ist und selbst Wasser, verdünntes Ethanol oder niedrigkonzentrierte Kochsalzlösung Umweltwirkungen haben können.

Die erneuerbare-Ressourcen-Intensität RI beschreibt die Masse erneuerbar hergestellter Materialien im Verhältnis zur Produktmasse: RI = Gesamtmasse aller erneuerbar hergestellten Materialien / Gesamtmasse Produkt. Daraus kann der erneuerbare-Ressourcen-Prozentsatz RP berechnet werden, wenn RI und PMI auf denselben Voraussetzungen beruhen: RP(%) = RI / PMI · 100 %.

Die Prozessmassenintensität PMI wurde 2011 von Jimenez-Gonzalez et al. entwickelt. Sie umfasst alle Materialien einschließlich Wasser: Reagenzien, Reaktanten, Lösungsmittel für Reaktion und Reinigung sowie Katalysatoren. Der Idealwert ist 1. Für die pharmazeutische Industrie ist PMI wichtig, weil dort hochreines Wasser eingesetzt wird und wässrige-organische Abfallgemische zusätzliche Aufarbeitung erfordern können. Der Green Chemistry Institute Pharmaceutical Roundtable der American Chemical Society wählte PMI als wichtigste grüne Metrik.

Die Reaktionsmasseneffizienz RME wurde von Curzons et al. entworfen. Sie berücksichtigt Atomökonomie, Ausbeute und Stöchiometrie. Allgemein gilt: RME(%) = ε · AE · 1/SF · MRP. Dabei ist ε die Ausbeute bezogen auf das limitierende Reagenz, SF der stöchiometrische Faktor und MRP der Parameter für Materialrückgewinnung. Vereinfacht gilt: RME(%) = Masse isoliertes Produkt · 100 % / Gesamtmasse Reaktanten in Reaktion. RME bewertet eher die Reaktion als den ganzen Prozess und berücksichtigt nicht vollständig Lösungsmittel-, Aufarbeitungs- und Energiefragen.

Beispiele, Grenzen und Unterricht

Ein Rechenbeispiel im Artikel beschreibt die Umsetzung von Benzylalkohol mit p-Toluolsulfonylchlorid in Toluol und Triethylamin zum Tosylat. Benzylalkohol: 10,81 g, 0,10 mol, 108,14 g·mol−1; p-Toluolsulfonylchlorid: 21,9 g, 0,115 mol, 190,65 g·mol−1; Toluol: 500 g; Triethylamin: 15 g; Tosylat: 262,29 g·mol−1; Ausbeute: 90 %, also 0,09 mol bzw. 23,6 g. Daraus ergeben sich AE = 87,8 %, CE = 83,7 %, RME = 70,9 %, MI = 23,2 und MP = 4,3 %. Die niedrige Massenproduktivität bedeutet, dass nur rund 4,3 % der Inputmasse in das Endprodukt eingehen.

Ein Vergleich verschiedener Reaktionstypen zeigt Mittelwerte: Hydrierung hat AE 84 %, CE 74 %, RME 74 %, MI 18,6 kg/kg und MP 5,4 %. Sulfonierung hat AE 89 %, CE 85 %, RME 69 %, MI 16,3 kg/kg und MP 6,1 %. Decarboxylierung hat AE 77 %, CE 74 %, RME 68 %, MI 19,9 kg/kg und MP 5,0 %. Veresterung hat AE 91 %, CE 68 %, RME 67 %, MI 11,4 kg/kg und MP 8,8 %.

Metriken sind immer nur Abbildungen bestimmter Merkmale. Jede hebt bestimmte Aspekte hervor und lässt andere aus. Besonders massenbasierte Metriken hängen stark davon ab, wo die Prozessgrenzen gezogen werden. Ein E-Faktor kann sich stark ändern, wenn ein Zwischenprodukt gekauft statt selbst hergestellt wird. Deshalb müssen Randbedingungen und intrinsische E-Faktoren beschaffter Rohstoffe berücksichtigt werden.

Im Chemieunterricht besteht ein didaktisches Dilemma: Einfache Metriken wie E-Faktor und Atomökonomie sind verständlich und zeigen gut, wie Nachhaltigkeit quantifiziert werden kann. Für industrielle Praxis sind sie aber nur begrenzt aussagekräftig. Komplexere Metriken sind praxisnäher, aber für Lernende oft zu schwer. In Deutschland schrieb die KMK 2019 für die Lehrkräftebildung Chemie das Thema „Nachhaltigkeit als Grundprinzip chemischer Forschung und Produktion“ vor. In den Niederlanden werden im Chemieunterricht der Sekundarstufe II unter anderem E-Faktor und Umweltquotient, dort auch Q-Faktor genannt, behandelt.