Ibuprofen và bài học tiết kiệm nguyên tử của hóa học xanh

Trong một quy trình sản xuất ibuprofen từ thập niên 1960, mỗi năm 30 triệu pound thuốc đi kèm 45 triệu pound chất thải. Đến đầu thập niên 1990, một quy trình khác rút số công đoạn xuống còn một nửa, loại bỏ một dung môi độc và tận dụng nguyên liệu tốt hơn. Khác biệt nằm ở cách thiết kế phản ứng: thay vì chỉ hỏi có tạo được thuốc hay không, các nhà hóa học bắt đầu hỏi từng nguyên tử đầu vào cuối cùng sẽ đi đâu. [1]

Đó là cốt lõi của hóa học xanh. Mục tiêu không chỉ là xử lý chất thải sau khi nó xuất hiện, mà là ngăn chất thải hình thành ngay từ sơ đồ phản ứng. Trường hợp ibuprofen cho thấy một quy trình ít bước hơn, dùng chất xúc tác và thu hồi được phần nguyên liệu còn lại có thể đồng thời giảm tác động môi trường và chi phí sản xuất. [1]

Vì sao quy trình cũ tạo nhiều chất thải?

Quy trình ban đầu biến isobutylbenzene thành ibuprofen qua sáu công đoạn. Nó sử dụng lượng dư nhôm chloride cùng nhiều dung môi và chất hỗ trợ phân tách. Sản phẩm mong muốn vẫn được tạo ra, nhưng mỗi công đoạn cũng làm xuất hiện phụ phẩm hoặc để lại vật liệu không đi vào phân tử thuốc. Sau phản ứng, những phần này phải được tách khỏi sản phẩm và phần lớn bị loại bỏ. [1]

Một chuỗi tổng hợp dài thường kéo theo nhiều lần bổ sung hóa chất, làm sạch và chuyển vật liệu giữa các công đoạn. Nếu một bước tạo hỗn hợp gồm sản phẩm mong muốn và các chất khác, bước tiếp theo không chỉ tiếp tục phản ứng mà còn phải mang theo gánh nặng phân tách. Vì vậy, chất thải không nhất thiết đến từ một sai sót lớn; nó có thể tích lũy qua nhiều phản ứng vẫn hoạt động đúng như dự kiến. [1]

Có thể hình dung bằng một ví dụ giả định: để lắp một vật nhỏ, xưởng dùng sáu bộ linh kiện, nhưng sau mỗi lần lắp đều phải bỏ đi vỏ bọc và chi tiết tạm thời. Thành phẩm đạt yêu cầu không có nghĩa cách lắp ráp hiệu quả. Trong hóa học cũng vậy, khối lượng sản phẩm chỉ kể một phần câu chuyện; phần nguyên liệu không xuất hiện trong sản phẩm mới cho thấy mức lãng phí của con đường tổng hợp.

Hiệu suất nguyên tử đo điều gì?

Khái niệm giúp nhìn rõ vấn đề là hiệu suất nguyên tử, tức tỷ lệ nguyên tử trong nguyên liệu và thuốc thử của quá trình tổng hợp được đưa vào sản phẩm cuối cùng. Chỉ số cao cho thấy phần lớn nguyên tử đầu vào có mặt trong phân tử cần tạo ra. Chỉ số thấp cho thấy nhiều nguyên tử đã trở thành phụ phẩm, dù phản ứng có thể vẫn tạo được lượng thuốc đáng kể. [1]

Hiệu suất nguyên tử khác với câu hỏi một mẻ phản ứng thu được bao nhiêu sản phẩm thực tế. Một phản ứng có thể chuyển phần nguyên liệu mục tiêu thành thuốc khá tốt, nhưng đồng thời cần những thuốc thử mà phần lớn cấu trúc của chúng bị thải bỏ. Hiệu suất nguyên tử buộc người thiết kế xem toàn bộ phương trình phản ứng, chứ không chỉ cân lượng sản phẩm ở cuối dây chuyền. [1]

Trong quy trình ibuprofen được cải tiến, hiệu suất nguyên tử được ghi nhận trong khoảng 80% đến 99%, tùy cách tính và phần vật liệu được xét. Một số chất không đi vào sản phẩm, chẳng hạn acetic acid, còn có thể được thu hồi hoặc tái chế. Điều quan trọng vì thế không chỉ là tỷ lệ trên giấy, mà còn là số phận thực tế của phần vật liệu nằm ngoài viên thuốc. [1]

Chất xúc tác thay đổi phản ứng ra sao?

Quy trình mới dùng chất xúc tác thay cho việc đổ vào lượng dư một số thuốc thử. Chất xúc tác tạo ra một con đường phản ứng thuận lợi hơn nhưng không bị tiêu hao theo cách của nguyên liệu thông thường. Nhờ đó, nhà sản xuất có thể giảm lượng vật chất phải dùng chỉ để thúc đẩy phản ứng, đồng thời hạn chế phần dư cần xử lý sau đó. [1]

Chất xúc tác còn có giá trị khi giúp phản ứng chọn đúng sản phẩm. Nếu nguyên liệu có thể đi theo nhiều hướng, mỗi hướng ngoài mục tiêu sẽ tạo thêm phụ phẩm và khiến khâu tinh chế phức tạp hơn. Một chất xúc tác phù hợp giống như việc mở lối ngắn đến đúng đích: phép so sánh này chỉ mô tả vai trò định hướng, bởi ở cấp phân tử, tác dụng cụ thể phụ thuộc vào từng phản ứng. [1]

Với ibuprofen, việc thiết kế lại đã giảm sáu công đoạn xuống còn ba và loại carbon tetrachloride, một dung môi độc, khỏi quy trình. Ít công đoạn hơn không tự động đồng nghĩa với xanh hơn, nhưng trong trường hợp này, sự rút gọn đi cùng việc dùng nguyên liệu hiệu quả hơn, giảm phụ phẩm và tránh một hóa chất nguy hại. [1]

Vì sao hóa học xanh bắt đầu từ nhà máy?

Tên gọi “hóa học xanh” được Paul Anastas đặt ra vào năm 1991, nhưng cách tư duy đứng sau nó đã xuất hiện trong công nghiệp từ thập niên 1950. Các nhà hóa học khi ấy phát triển những phản ứng xúc tác có thể phá vỡ rồi sắp xếp lại liên kết đôi của alkene. Những công cụ như vậy về sau giúp rút ngắn đường tổng hợp phân tử và hạn chế phụ phẩm không mong muốn. [1]

Nguồn gốc công nghiệp này không phải điều ngẫu nhiên. Trong sản xuất quy mô lớn, nguyên liệu bị bỏ phí không chỉ trở thành vấn đề môi trường; doanh nghiệp còn phải mua, lưu trữ, tách, xử lý hoặc tiêu hủy chúng. Một phản ứng dùng ít vật liệu hơn có thể giảm chi phí ở nhiều điểm, từ đầu vào đến khâu làm sạch cuối cùng. [1]

Cách tiếp cận cũ thường tập trung vào kiểm soát, xử lý và thải bỏ hóa chất sau sản xuất. Hóa học xanh chuyển trọng tâm về phía trước: lựa chọn nguyên liệu, dung môi, chất xúc tác và chuỗi phản ứng sao cho nguy cơ cùng chất thải được hạn chế ngay từ thiết kế. Đây không phải việc gắn thêm một công đoạn xử lý môi trường, mà là sửa chính công thức vận hành của quá trình. [1]

Bài học nào vượt ra ngoài ibuprofen?

Trường hợp ibuprofen cho thấy “xanh hơn” không nhất thiết là hy sinh hiệu quả sản xuất. Quy trình mới tiết kiệm nguyên liệu, giảm việc làm sạch chất thải và loại một dung môi độc, nên lợi ích môi trường gắn trực tiếp với lợi ích kinh tế. Tuy nhiên, không thể chỉ đếm số bước để đánh giá mọi quy trình; còn phải xem độc tính, năng lượng sử dụng, phụ phẩm và khả năng thu hồi vật liệu. [1]

Điểm đáng nhớ nhất là một nguyên tử không biến mất khi nó không nằm trong sản phẩm mong muốn. Nó vẫn ở đâu đó trong phụ phẩm, dung môi đã dùng hoặc dòng chất thải cần xử lý. Khi lần theo hành trình ấy ngay từ lúc vẽ phản ứng, nhà hóa học có thể nhận ra phần lãng phí trước khi nó trở thành hàng tấn vật liệu ngoài nhà máy. [1]

Vì thế, sự đối lập giữa 30 triệu pound ibuprofen và 45 triệu pound chất thải không chỉ kể về một quy trình cũ kém tối ưu. Nó đánh dấu sự thay đổi trong câu hỏi của hóa học sản xuất: thành công không còn đơn thuần là tạo đúng phân tử, mà còn là tạo nó bằng con đường sử dụng vật chất có chủ đích hơn. [1]