近年、人々は環境への影響に対する意識を高めており、企業や政府、個人が持続可能性を重視するようになっています。この流れは化学者にも広がっており、彼らはさまざまな業界で革新的なグリーンソリューションを追求する中心的な役割を果たしています。しかし、化学者は反応溶媒として有機溶媒を大量に使用し、それが多くの廃棄物を生み出しているのが現状です。
ここでは、有機溶媒による廃棄物と、その持続可能な代替案の一つである水について考察します。
有機溶媒の課題
有機溶媒は一般的に安全性と健康に対するリスクを伴います。多くの溶媒が引火性（例：アセトン）で皮膚刺激性を有し、さらには発がん性（例：ベンゼン）、生殖に対する危険（例：2-エトキシエタノール）、神経毒性（例：n-ヘキサン）を持つ場合もあります。これらの性質から、有機溶媒は決して環境に排出してはならず、回収して焼却する必要がありますが、この焼却過程で温室効果ガスが発生します。さらに、これらの化学物質は通常、化石資源由来であり、持続可能とは言えません。
水 - グリーンな代替案
超臨界CO₂、イオン液体、生物資源由来の有機物を含む代替反応媒体の探索は進行中だが、それぞれに制約があります。近年、多くの化学者の注目を集めているのが水です。水は「自然の溶媒」(1)とされ、豊富で無毒、非可燃で安価です。水の物理特性と、それらが温度と圧力でどのように変化するかにより、多くの予想外の反応がこの極性溶媒内で行われます。水は高い誘電率と高い極性を持ち、疎水効果を生み出します。これにより、非極性の分子または機能が集まり、極性/非極性の界面積を減らします。これが非極性の反応物を集中させ、反応速度、化学選択性、立体選択性(2)に影響を与えます。このような条件で行われる反応は「オンウォーター」と呼ばれ、最もよく知られている例はRideoutとBreslowによって1980年(3)に示された、水を溶媒としたディールス-アルダー反応の加速です。塩の添加による疎水効果の調節もこの研究で示されました。揮発性有機化合物（VOC）は伝統的にこのような反応の溶媒として使用されてきました。
水の特性の変化
水を亜臨界または超臨界状態まで加熱・加圧することで、溶媒としての水の新たな可能性が広がります。ただし、これらの条件下では安全性の懸念やエネルギー要件が伴うため、その実用性や応用範囲が制限される可能性があります。このような状態変化により、水の特性は劇的に変化し、低い誘電定数、低い極性、そして増加した解離性を示すようになります。その結果、超臨界水は非極性化合物の優れた溶媒となり、反応混合物全体を通じてそれらの反応を可能にします。さらに、H⁺イオンとOH⁻イオンの解離が増加することで、pHを調整することなく酸性およびアルカリ性の触媒作用を提供します。
界面活性剤を用いた「水中」反応
水を溶媒として使用するもう一つの有望な選択肢は、「水中」反応における極性分子と非極性分子の相互作用を改善するための界面活性剤の使用(4)です。UC Santa BarbaraのLipshutzグループは、合成有機化学におけるグリーンケミストリーの改善に焦点を当てており、その研究の一つが「デザイナー界面活性剤」です。これらは水中にごく少量存在するだけで、非極性反応が進行可能なナノメートルサイズのミセルまたは「ナノリアクター」を形成します。リプシュッツらのグループは、Suzuki-Miyaura、Sonogashira、Mizoroki-Heck、Negishi(5)などのカップリング反応、多くの著名な有機反応を水溶媒中で実現しており、リプシュッツは「ミセル触媒は、ほぼすべての反応を水中で行うことを可能にする技術ツールボックスを持つまでに発展している」(6)と述べています。
デザイナー界面活性剤の使用量を抑えることで、「局所的な基質濃度が高まり、その結果として反応速度が向上する」という上述の利点が得られ、さらに多くの場合、触媒負荷量とエネルギー消費量も削減できます(4)。実際には、界面活性剤溶液の特性が変化する曇点に達することを避けるため、比較的穏やかな条件が必要とされることが多いです。さらに、水中反応条件を用いることで、反応生成物の単離・精製に必要なワークアップを大幅に簡略化できます。具体的には、「フラスコ内」で最小限のリサイクル可能な有機溶媒を用いて水性反応混合物から生成物を抽出したり、単純に傾斜分離やろ過により固体生成物を得たり(4)することができます。水中反応条件の他の利点として、ワークアップを行うことなく一つの容器で連続的な反応ステップを実施できること、特に化学触媒と生体触媒（有機溶媒により不活性化される可能性のある酵素）を用いた連続反応を組み合わせることができることが挙げられます。
グリーン溶媒としての水への有望な展望
水は化学産業および環境にとってグリーン溶媒としての大きな可能性を秘めています。有機溶媒の供給減少や調達の困難化、または経済的および環境的理由により、現在の化学的実践が変わることは避けられません。水ベースの技術の開発を優先することで、大きな利益が得られるでしょう。
エルガ・ラボウォーターは、化学および関連する実践において高純度の水を提供することに定評があります。そして、エルガの精製装置は、前述の環境配慮型の変革を信頼と一貫性を持って支える高純度水を確実に提供します。親会社であるヴェオリア・グループの環境重視の姿勢により、エルガは研究室における高純度の水の持続可能な選択肢となっています。
Reference:
Sachdeva H, Khaturia S. A mini-review on organic synthesis in water. MOJ Biorg Org Chem. 2017;1(7):239‒243. DOI: 10.15406/mojboc.2017.01.0004
Zhou F, Hearne Z, Li C-J. Water – the greenest solvent overall, Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry. 2019, 18, 118-123 DOI: 10.1016/j.cogsc.2019.05.004
Rideout D C, Breslow R. Hydrophobic acceleration of Diels-Alder reactions. J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 26, 7816 - 7817 DOI: 10.1021/ja00546a048
Cortes-Clerget M, Yu J, Kincaid J R A, Walde P, Gallou F, Lipshutz B. Water as the reaction medium in organic chemistry: from our worst enemy to our best friend. Chem. Sci. 2021, 12, 4237 DOI: 10.1039/d0sc06000c
Lipshutz B H, Caravez J C, Iyer K S. Nanoparticle-catalyzed green synthetic chemistry… In water. Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry. 2022, 38, DOI:10.1016/j.gogsc.2022.100686
Lipshutz B. Chemistry in Water to the Rescue, 2023 (https://lipshutz.chem.ucsb.edu/news/announcement/406) [7] Gröger H, Gallou F, Lipshutz B H. Where Chemocatalysis Meets Biocatalysis: In Water. Chem. Rev. 2023, 123, 9, 5262-5296 DOI: 10.1021./acs.chemrev.2c00416
執筆者プロフィール： ベサニー・キャンプベル博士
ケンブリッジ大学で自然科学の学士号と修士号を取得後、サリー大学にて化学・プロセス工学の博士号を取得。博士課程では、廃棄物から化石燃料の代替となるハイドロチャーを生産するプロセスである、バイオマスの水熱炭化処理から生じるプロセス水の処理について研究。現在はエルガのR&D排水処理スペシャリストとして、排水処理技術および製品の開発に従事しています。