IV.4. Замена традиционных органических растворителей.

Ещё одно направление зелёной химии — замена растворителей в технологических процессах. Растворители выполняют несколько функций: они играют роль транспорта (разведение краски, удаление грязи) или помогают смешивать компоненты. Также их используют для того, чтобы доставить или убрать тепло, более эффективно смешать реагенты или контролировать их реакционную способность. Абсолютное большинство растворителей, применяемых сейчас, — это летучие органические вещества, производные нефти. Следовательно, они во-первых, не бесконечны, во-вторых, пожаро- и взрывоопасны, а в-третьих, вредны для окружающей среды.

 Зеленая химия предлагает следующие решения для проблемы замены органического растворителя:

1. Проводить химический процесс вообще без растворителя;

2. Использовать в качестве растворителя воду, биоразлагающиеся „зелёные“ растворители, ионные жидкости (соли, плавящиеся при низких температурах) или сверхкритические жидкости.

Однако, во втором случае, для каждого химического процесса приходится подбирать свой оптимальный растворитель.

Проведение химического процесса без растворителя удобно с экономической и экологической точек зрения, однако на практике осуществимо только в двух случаях:

1. оба реагента являются жидкостями;

2. жидкий реагент может служить растворителем.

Проведение химического процесса в воде также соответствует требованиям зеленой химии, однако большинство органических веществ нерастворимы в воде, что часто не позволяет использовать этот растворитель. С применением в качестве растворителей ионных жидкостей аналогично - химических процессов протекающих в них количественно очень не много, выделение продуктов реакций часто затруднено, к тому же синтез самих ионных жидкостей часто является далеко не "зеленым" процессом.

Примером „зелёного“ растворителя может служить перфторан. Правда, он довольно дорог на Западе (в России значительно дешевле), поэтому вряд ли его будут использовать в широких масштабах. Применение других фторорганических соединений в качестве растворителей также ограничено - большинство из них являются озоноразрушителями. Таким образом, только сверхкритические жидкости могут широко применяться в качестве зеленого растворителя.

.Сверхкритические жидкости — это газы, сжатые до такого состояния, что они почти становятся жидкостями то есть их плотность приближается к плотности жидкости. Такое состояние возможно только при температурах более высоких, чем так называемые критические, поскольку ниже этого порога газ под давлением просто превратится в жидкость. Сверхкритические среды привлекают внимание физхимиков последние 150 лет. Действительно, газ, который приобретает некоторые свойства жидкости, — многообещающий объект для изучения. Тем не менее технологический интерес к сверхкритическим жидкостям появился относительно недавно.

Жидкости, например воду, тоже можно перевести в сверхкритическое состояние при определённом давлении и температуре.

Критическая температура для наиболее часто используемых веществ изменяется в довольно широких пределах. Например: критическая температура, CO₂       31°С, C₂H₄ 9°С, NH₃   132°С, H₂O 374°С соответственно.

В начале 80-х годов было много фундаментальных и прикладных исследований по возможному промышленному применению сверхкритических жидкостей. Исследования показали, хотя эти растворители являются дорогими, но сверхкритические жидкости могут обеспечить такой уровень контроля и превращения в химических реакциях и при обработке материалов, которого трудно достичь обычными методами.

В сверхкритическом состоянии такие всем известные вещества, как углекислый газ или вода, приобретают необычные свойства они становятся такими же хорошими растворителями,  как известные органические, а иногда бывают и лучше. При этом они совершенно безвредны для окружающей среды. Как только продукт получен, можно убрать давление, и газ (например, CO₂) просто возвращается в атмосферу.

Недавно описано использование сверхкритических углеводородов для проведения важных нефтехимических процессов. Например, каталитическая изомеризация н-бутана в изо-бутан эффективно протекает в сверхкритическом н-бутане; при этом стабильность работы катализатора и срок службы существенно возрастает, потому что сверхкритический растворитель эффективно очищает поверхность катализатора от образующейся сажи. Реакции в сверхкритическом СО₂ можно проводить в автоклавах простого устройства, загружая туда сухой лед и реагенты. СО₂ сам при испарении создаст нужные условия.

Сейчас заметно возросли усилия исследователей по замене органических растворителей на scCO₂ и в других промышленных процессах. Причём не только химических, но и чисто технических, например таких, как очистка машинных деталей от масла.

Сверхкритический CO₂ (scCO₂) имеет почти такую же растворяющую способность, как и гексан. Поэтому сверхкритический углекислый газ экстрагирует из зёрен зелёного кофе только кофеин, оставляя все ароматные компоненты и не оставляя после себя никакого вредного следа. Процесс осуществляется в огромных промышленных масштабах. Подобную технологию также используют для экстракции хмеля при производстве пива, никотина из табака, а также различных ароматических веществ в парфюмерной промышленности.

Фирма „Дюпон“ собирается внедрить технологию производства фторполимеров, предполагающую использование сверхкритического CO₂. Новая технология позволит лучше контролировать физические свойства фторполимера и его химический состав.

При традиционных технологиях гидрирование часто идёт с трудом, поскольку водород плохо растворяется в органике. В сверхкритической среде растворитель, водород и субстрат находятся в одном состоянии. Таким образом, процесс протекает более интенсивно, и к тому же непрерывно. Газоподобные свойства сверхкритической жидкости уменьшают вязкость реакционной смеси, за счёт этого увеличивается её приток к поверхности катализатора.

С другой стороны, плотность, соответствующая жидкости, позволяет лучше проводить тепло, чем в газовой фазе. Реакция гидрирования изофорона в сверхкритических жидкостях более селективна, проходит с большей скоростью и позволяет эффективнее использовать катализатор.

Проточный реактор учёные теперь также используют для непрерывного алкилирования ароматических соедиинений по Фриделю-Крафтсу и синтеза эфиров (с использованием твёрдых кислотных катализаторов). Алкилирование получается, во-первых, гораздо более чистым, чем традиционный процесс, поскольку не предполагает использование хлорида алюминия, а во-вторых, гораздо более избирательным.