Preprint of a paper published in Angew. Chem. 2001, 113, 4640-4642; Angew. Chem. int. ed. Engl. 2001, 40, 4506-4508. © Wiley-VCH, 2001
Green Chemical Syntheses and Processes.
Von Paul T. Anastas, Lauren G. Heine und Tracy C. Williamson. Oxford Univ. Press, 2000. X + 353 S., geb. £ 79.50----ISBN 0-8412-3678-X

Gerd Kaupp
Institut für Organische Chemie I, Universität Oldenburg

Nach dem einführenden Kapitel der Herausgeber behandelt der Abschnitt "Designing Safer Chemicals" in 4 Beiträgen die Bekämpfung von Raupen der Gattung Lepidoptera. Tebufenozid brachte der Rohm and Haas Company den Presidential Green Chemistry Award ein wegen hoher Selektivität in der Insektenbekämpfung durch Mimese von 20-Hydroxyecdyson. Die Bekämpfung ähnlicher Insekten mit Pheromonen, deren Vorprodukte durch in vivo- Synthese von Hefen billiger wurde, erscheint zunächst noch attraktiver. Der Anwendung von Pheromonen stehen aber die zu hohe Spezifität im Wege, so dass die verbilligte Bereitstellung noch keinen Durchbruch bringt. Patente werden nicht zitiert.
Ein weiterer Beitrag versucht in technisch eingespielten Metallkomplexfarbstoffen das Cr, Co oder Cu durch Fe zu ersetzen. Man erkennt, dass die Möglichkeiten sehr begrenzt sind. Nur in Einzelfällen könnte es möglich sein, neue Produkte für Polyamid-Färbungen zu nutzen (Patente).
Die dauerhafte Beschichtung von Metallen mit Farbanstrichen oder Polymeren erfordert regelmäßig Chromatbäder. Diese lassen sich durch Phosphatierung umgehen, obwohl es auch danach mit Chromat noch besser haftet. Man erfährt wie umfangreich die Metalloberflächen getestet werden müssen. Allerdings könnten hier Kraftmikroskopie (AFM) und optische Nahfeldmikroskopie (SNOM) grundlegende Anworten erwarten lassen.

Der Abschnitt "Green Chemical Syntheses" umfasst 4 Kapitel. Neben dem Ersatz von Phosgen, Dimethylsulfat und Methylhalogeniden durch Dimethylcarbonat geht es um den Einsatz von Wasser oder von Mischungen aus Wasser mit organischen Lösungsmitteln in der organischen Synthese. Es fällt auf, dass lösungsmittel- und abfallfreie Reaktionen, die im Festkörperbereich tausendfach ohne jede Aufarbeitungsnotwendigkeit mit 100% Ausbeute gelingen, keine Erwähnung finden. Dies ist um so weniger verständlich, als keines der angegebenen Beispiele an 100% Ausbeute herankommt und alle reinigende Aufarbeitung erfordern. So geht es hier bestenfalls darum, "gute" Ausbeuten bei den (meist unvollständigen) Reaktionen zu erhalten und die nachfolgende Aufarbeitung bleibt unerwähnt. Abfallvermeidungs-Strategien sind kaum erkennbar. Gleichwohl sind einige der referierten Reaktionen synthetisch interessant:
Dimethylcarbonat (Kp 90°C) dient bei 180-220°C der Monomethylierung aktiver Methylenverbindungen, der Spaltung von Ketonen zu zwei Methylestern und der Umwandlung von Oximen mit aktiver Methylengruppe zu N-Methyloxazolinonen. Die Monoalkylierung von Anilinderivaten wird in Gegenwart von Zeolithen bei 120-150°C vorgenommen. Der Anspruch wonach kein Abfall entsorgt werden müsse (S. 98) besteht aber zu Unrecht. Besonders auffällig ist dies bei 100% Umsatz und nur 22% Ausbeute in Tab. 5 auf S. 96.
Auch Synthesen in Wasser sind schon länger bekannt. Der Optimismus für die Umwelt wird sogleich gedämpft, wenn Pyridin, Triethylamin, Acetonitril, oder Tetrahydrofuran und Schwermetall(komplex)e zugesetzt werden, oder wenn die (chromatographische) Aufarbeitung organische Lösungsmittel erfordert. Der Schwerpunkt liegt bei Allylierungen oder Propargylierungen (Aldehyde, Cycloketone) und Ethinylierungen mit den Metallen Sn, Zn, In, Bi, Mn, Pd, Ru oder deren Komplexen. Die Nützlichkeit erweist sich in Kohlenhydrat-Synthesen ohne Schutzgruppen. Direkte Vergleiche mit den in anderen Reaktionsmedien intensiv bearbeiteten Syntheseverfahren sind nicht gezogen. Insbesondere ist der Nettogewinn für die Umwelt fraglich, wenn aufwendig aufgearbeitet werden muss und auch die wässrige Phase als Abfall entsorgt werden muss (Indium kann elektrolytisch zurückgewonnen werden). Jedenfalls sind Verringerungen der Synthesestufenzahlen immer vorteilhaft. Mechanistisch behandelt werden die Allylindium Reaktionen mit Carbonylverbindungen in wässrigen Medien (häufiges Cosolvent: THF). Die Diastereoselektivitäten und Ausbeuten variieren beträchtlich und die Allylierungsprodukte lassen sich in Folgesynthesen nutzen.

Der Abschnitt "Biocatalysis and Biosynthesis" behandelt in 4 Kapiteln grundlegende enzymatische Prozesse. Die Addition von Wasser an Adiponitril liefert 5-Cyanovaleramid. Der Prozess mit Pseudomonas chlororaphis B23 Zellen in Calcium Alginate Beads ist kommerzialisiert.
Die Umwandlung von Toluol über p-Kresol zu p-Hydroxybenzoesäure gelingt mit rekombinanter Pseudomonas putida EM 2878 bei über 99% Selektivität, was im Vergleich zu den 48% Ausbeute (60% Umsatz) bei der energieaufwendigen Kolbe-Schmitt Synthese aus K-Phenolat ein großer Fortschritt wäre. Entsprechend können substituierte Toluole mit freier p-Stellung oder 4-Methylphenole zu den p-Hydroxybenzoesäuren umgewandelt werden. Es dürfte sich lohnen, hier weiterzumachen.
Der Weg von cellulöser Biomasse zu Ethanol soll mit genetisch veränderten rekombinanten Saccharomyces Hefen erreicht werden, mit denen Glucose und Xylose gleichzeitig fermentiert werden. Die dafür gebrauchte Gen Integrationstechnik wird beschrieben. Pilotanlagen waren über Hunderte von Generationen erfolgreich. Die kosteneffiziente Produktion des Kraftstoffs Ethanol aus Celluloseabfällen ist in Sichtweite.
Für die Verwertung giftiger Zuckerrohr Vinasse (aus der Alkohol Produktion), die in Brasilien zu über 1 Mia. Hektoliter pro Jahr anfällt, wurden verschiedene Wege beschritten. Umweltfreundlich ist die Erzeugung mikrobieller Biomasse, die durch rekombinante Stämme von Aspergillus nidulans verbessert werden könnte.

Der Abschnitt "Environmentally Benign Catalysis" umfasst fünf inhomogene Kapitel. Die Abtrennung von Katalysatoren aus Reaktionsgemischen ist ein oft besonders aufwendiges Problem. Es wird untersucht wie homogene Katalysatoren mittels Perfluoralkylketten in Fluorkohlenwasserstoffen löslich werden und somit bei zweiphasiger Reaktionstechnik aus den Reaktionslösungen extrahiert werden können. Perfluorierte Verbindungen werden als umweltfreundlich angesehen und der Industrie als künftige Betriebsmittel empfohlen. In Perfluorheptan lösliche Metallsalz-Katalysatoren ermöglichen die Oxidation von Cyclooctan mit t-BuO2H/O2 zu Cyclooctanol und Cyclooctanon mit 80% Ausbeute (Alkanumsatz:1% in 24 h). Aus Cyclohexen erhielt man Cyclohexen-3-ol und -3-on über das Cyclohexenylhydroperoxid. Mit fluorierten Ru- oder Ni-Acetylacetonaten und chiralen SALEN Mn-Komplexen ließen sich Epoxidierungen (77-85% bzw. 70%; 0-90% ee) erreichen.
Homogene Katalysatoren können auch mit löslichen Polymeren aus der Reaktionslösung zurückgewonnen werden. Dazu wird die ausgeprägte Temperaturabhängigkeit der Löslichkeit in verschiedenen Phasen ausgenutzt. Die Polymere tragen hierzu "smarte" Liganden.
Edelmetalltragende Hydrotalcide (Mg-Al-Hydroxide) ermöglichen die Flüssigphasenkondensation von Aceton zu Mesityloxid, das mittels H2 sofort zu Methylisobutylketon in 20 g Ansätzen hydriert wird (Selektivität bis 82% bei 38% Umsatz). Der Katalysator ist multifunktionell. Es werden keine Patente zitiert.
Photochemische Oxidation von Toluol in Zeolithen mit O2 gibt Benzaldehyd, aber die Absorptionsbedingungen (l >400, >455, >495 nm) und die Diskussion sind unklar. Umweltfreundliche Aspekte sind nicht erkennbar.
Die Photokatalyse von Autoxidationen mit TiO2 und UV-Licht ist sehr energieaufwendig und wird kaum die erhoffte industrielle Produktion erreichen: die Präparation der Katalysatorschichten und die geringen Umsatzgrößen mit Bildung absorbierender Produktgemische bei Explosionsgefahr verbieten wirtschaftliche Prozessführungen für die Autoxidation von (Cyclo)Alkanen mit UV-Licht in der Gasphase an TiO2, schon gar nicht für Großchemikalien wie Cyclohexanon. Platz für TiO2 dürfte weiterhin in der Umweltentgiftung mit Sonnenlicht sein (Arbeiten von Anpo; unzitiert).

Der letzte Abschnitt "Green Solvent Systems" mit sechs Kapiteln scheint etwas willkürlich von der "Green Chemical Synthesis" abgetrennt.
Um umweltfreundliche Ersatzlösungsmittel(Mischungen) aufzufinden, wurde die neunstufige "solvent design software" PARIS II entwickelt, die demnächst kommerziell erhältlich ist. Es wird versucht, die Giftigkeit zu verringern und die Umweltindices zu verbessern ohne an Effektivität zu verlieren. Verschiedene Datenbanken werden dabei abgefragt. Als Beispiel für den Ersatz von Methylethylketon wird so eine 90:10 Mischung aus Ethylacetat und Ethanol mit sehr ähnlichen physikalischen Parametern und Aktivitätskoeffizienten errechnet.
Eine leider durch mehrere Kapitel abgetrennte methodologische Annäherung an die Auswahl von "grünen Lösungsmitteln" nutzt nicht das PARIS II Programm, sondern geht von allgemeinen Prinzipien der "grünen Chemie" aus. Die naheliegende Forderung, Lösungsmittel ganz zu vermeiden wird schnell aufgegeben, anstatt auf tausendfache Beispiele aus der Festkörperchemie hinzuweisen, bei denen das tatsächlich aufarbeitungsfrei gelingt. Viele Erfordernisse an "grüne Lösungsmittel" werden tabelliert und Richtlinien für ihre Auswahl aufgestellt.
Davon unabhängig werden lineare Methylsiloxane als umweltfreundliche Lösungsmittel vorgestellt, z.B. für Beschichtungsaufgaben und zur Entfettung empfindlicher Oberflächen. Das Lösevermögen liegt zwischen dem gesättigter Kohlenwasserstoffe und der Hydrofluorkohlenstoffe.
Für überkritisches Kohlendioxid gibt es bereits umfangreiche Literatur, von der aber im wesentlichen nur die amerikanische erschlossen wird. In zwei Beiträgen werden bekannte Radikalreaktionen sowie Diels-Alder-Reaktionen, Substitutionen und Polymerisationen besprochen. Die Forderung nach Aufskalierung zu wirklichen Prozessen ist nicht besonders neu.

Der Titel des Kapitels 23 "Expeditious Solvent-Free Organic Syntheses Using Microwave Irradiation" ist irreführend. Zur Synthese gehört allemal die Produktisolierung und da ist beim Einsatz feinverteilter Träger (Ton, Kieselgel, Aluminiumoxid) ein geradezu exzessiver Lösungsmittelaufwand erforderlich (Extraktion, Filtration, Zentrifugation, Reinigung). Träger und Mikrowelle sind hier zum Fetisch erhoben. Es wird gar nicht erst erwogen, auf das schnelle unkontrollierte Hochheizen an den vorbehandelten Trägern zu verzichten, um bei niedrigeren Temperaturen ohne Träger eine höhere oder vielleicht quantitative Ausbeute zu erhalten. Die Notwendigkeit der überaus aufwendigen Technik wäre im Einzelfall bei Entschützung, Kondensation, Zyklisierung, Umlagerung, Oxidation und Reduktion nachzuweisen, da niemals quantitative Reaktion und immer umweltfeindliche Produktisolierung aus gewaltigem Ballast anstehen. Leider werden in diesem Umfeld die ballastfreien Techniken mit 100% Ausbeute ohne Aufarbeitungsnotwendigkeit nicht zitiert. Anstatt 106 mg Benzaldehyd und 93 mg Anilin mit 20 mg Montmorillonit K 10 zu mischen, 3 min mit Mikrowelle (800-900 W) zu bestrahlen (Badtemperatur: 110°C), anschließend mit viel Methylenchlorid nur 98% unreines Benzylidenanilin zu extrahieren, den Ton zu reinigen und zu reaktivieren, kann man nach den Ergebnissen des Rezensenten in einer 31x44 cm2 Stahlpfanne 848 g Benzaldehyd mit 744 g Anilin (beide 99.5%) vermischen. Die Temperatur bleibt unter 35°C. Das Reaktionswasser wird im Vakuum von den Kristallen entfernt. Man erhält 1.436 kg (100%) reines kristallines Benzylidenanilin.

Im Interesse der Sache hat der Rezensent die Verpflichtung, dem in diesem Band immer wieder zutage tretenden Dogmatismus entgegenzuwirken. Er entsteht wohl aus dem Kampf um die nicht ausreichenden aber "schnellen" Fördermittel für umweltverträglichere Synthesen. Der Überblick geht leicht verloren, wenn auf Grund unzulässig generalisierender "Prinzipien" als erfolgreich definierte Prämissen die guten oder besseren Alternativen ausschließen. Im gleichen Sinn wirkt die fehlende Präsens der internationalen Anstrengungen (OECD) bei der nationalen Veranstaltung in den USA. Somit bilden sich leicht Zirkel, die das Geschäft der "grünen Chemie" (oder andernorts der "nachhaltigen" Chemie) untereinander aufteilen ohne Beachtung der vielen Innovationen, die fast alle Synthesechemiker in Hochschule und Industrie weltweit ohne spezifische Förderung erreichen. Als Beispiel für den schädlichen Dogmatismus ist hier die autoritäre Forderung nach Überführung aller stöchiometrischen Prozesse in katalytische Prozesse [in diesem Zusammenhang wird immer wieder P.T. Anastas (White House) und T.C. Williamson (EPA) zitiert; auf S. 4 sprechen diese von "stoichiometric reagents" und "catalytic reagents"] zu nennen. Für wahrhaft umweltfreundliche Bemühungen muss es aber gerade umgekehrt heißen: Weg von der Katalyse zur aufarbeitungsfreien stöchiometrischen Synthese wo immer das geht! Hierfür sprechen über 1000 Festkörper-Reaktionen und einige stöchiometrische Reaktionen in Schmelzen mit unmittelbarer Produktkristallisation, die sich 100% Ausbeute erfreuen aber an keiner Stelle des Bandes Erwähnung finden. Es wäre schade wenn sich "Green Syntheses" zum Synonym für kompliziert und aufwendig entwickelte.