Veilige organofosfaat-vlamvertragers in de circulaire economie

Synthetische chemicaliën zijn inherent aan de moderne samenleving waarin we leven en dragen bij aan gezondheid, veiligheid en comfort. De productie en het gebruik van chemicaliën nemen in een steeds sneller tempo toe.¹ Een belangrijke klasse van deze chemicaliën zijn organofosfaten, die veel worden gebruikt als vlamvertragers. 

Organofosfaatverbindingen zijn verbonden met twee grote milieu-uitdagingen geformuleerd in het concept van planetaire grenzen^2,3 de wereldwijde fosforcyclus en chemische vervuiling. Opvallend is dat de planetaire grens van de wereldwijde fosforcyclus al tot een kritiek niveau is overschreden.^2,3 Massaal geëxploiteerde fossiele bronnen van fosfor slinken en tegelijkertijd leidt het lineaire gebruik van fosfor tot accumulatie in het milieu, waar de overmaat veroorzaakt eutrofiëring van oppervlaktewater.^4,5 

Organofosfaatchemicaliën worden momenteel geproduceerd uit fossiel fosfaatgesteente, via een verspillende en energie-intensieve synthetische route met buitensporige redoxcycli (grijze pijlen, figuur 1). Fosfaatgesteente (PV) wordt eerst omgezet in witte fosfor, P4 (P0), gechloreerd tot fosfortrichloride, PCl3 (PIII), en vervolgens gefunctionaliseerd tot organofosfaatesters (PV). Fosfor wordt dus gereduceerd van oxidatietoestand +5 tot 0 in zijn elementaire vorm en vervolgens terug geoxideerd tot oxidatietoestand +5 in het fosfaatesterproduct. Deze opeenvolgende reductie en re-oxidatie vereisen grote hoeveelheden energie. Bovendien leidt het gebruik van gechloreerde tussenproducten tot de vorming van ongewenste gechloreerde bijproducten.

Tijdens hun gebruik en het stadium aan het einde van hun levensduur komen organofosfaatchemicaliën in het milieu terecht. Dit is moeilijk volledig te voorkomen, omdat ze meestal worden gebruikt als additieven op bijvoorbeeld kleding; bij het wassen van textiel dat vlamvertragers bevat, komen deze chemicaliën in het afvalwater terecht. Als gevolg hiervan zijn organofosfaten nu wijdverbreid in het milieu en worden ze regelmatig aangetroffen in Europese wateren, in biota over de hele wereld en zelfs in omgevingen zonder regelmatige menselijke activiteit, zoals ongerepte bergmeren.^6-9 Bovendien zijn schadelijke effecten gevonden op mens en milieu voor sommige verbindingen van deze klasse.¹⁰ Om de hierboven geschetste uitdagingen aan te pakken, heeft Hannah Flerlage (Universiteit van Amsterdam) een systeembenadering verkend en geïmplementeerd om veilige en duurzame organofosfaatvlamvertragers te creëren die geschikt zijn voor de circulaire economie, met inachtneming van de principes van circulaire chemie.¹¹  

Directe functionalisering van fosfaten verkregen uit afvalstromen (Figuur 1A) omzeilt de reductie tot en daaropvolgende oxidatie van elementair fosfor, waardoor de energievraag wordt verminderd en de atoomeconomie aanzienlijk wordt vergroot. Interessant is dat de vraag hoe anorganische fosforbronnen, zoals struviet, kunnen worden gefunctionaliseerd tot organische fosforverbindingen, wat een belangrijk onderwerp is van de discipline prebiotische chemie, die de chemische basis voor het ontstaan ​​van leven onderzoekt. Geïnspireerd door dit onderzoek ben ik op zoek gegaan naar redox-efficiënte synthetische routes naar organofosfaten, uitgaande van hernieuwbare fosfaatbronnen verkregen uit lokale mijnen: de lokale afvalwaterzuiveringsinstallaties (AWZI's). Om emissie naar het milieu te voorkomen die eutrofiëring van het oppervlaktewater voorkomt, worden fosfaten in afvalwater steeds vaker teruggewonnen als struviet (NH₄MgPO₄·6H₂O). Ik streef ernaar om struviet direct om te zetten in veilige organofosfaten.

Hoewel de synthese het begin is van de levenscyclus van een chemische stof, is deze fase kort in vergelijking met de gebruiksfase en de fase aan het einde van de levensduur. Om in te zoomen op de uitdaging richt ik me in het bijzonder op één organofosfaat vlamvertrager, tri-isobutylfosfaat (TiBP). Jaarlijks wordt in de EU 1.000 – 10.000 ton TiBP onder andere gebruikt als additief vlamvertrager voor textiel, zoals in brandweerkleding.¹² Als zodanig is deze verbinding aangetroffen in oppervlaktewater en werd daarom toegevoegd aan een lijst van stoffen die een potentieel gevaar voor het milieu kunnen opleveren.¹³ Als het textiel dat TiBP bevat wordt hergebruikt en gerecycled, blijft TiBP uitlogen naar het milieu. De aanwezigheid van dit chemische additief belemmert dus een circulaire materiaalstroom. Ontwerpen voor recycling of afbreekbaarheid in het geval van moeilijk terug te winnen additieven, is een kernprincipe van Circulaire Chemie. Door minder gevaarlijke en minder persistente alternatieven te ontwerpen, wordt de duurzaamheid van een chemische stof gedurende de hele levenscyclus na de productie aangepakt.

Ik heb een raamwerk ontwikkeld voor het systematische, computerondersteunde herontwerp van industriële organofosfaten voor verbeterde milieu-eigenschappen. Het gebruik van cheminformatica-tools is geïnspireerd op processen voor het ontdekken van geneesmiddelen en opent nieuwe mogelijkheden om het ontwerp te sturen. Voor mijn casestudy werden talrijke alternatieve organofosfaatstructuren voor TiBP gegenereerd in silico en gescreend met QSAR-tools (Quantitative Structure Activity Relationships) voor verbeterde biologische afbreekbaarheid. Het ontwerpen van additieven zoals TiBP voor biologische afbreekbaarheid (Figuur 1B) is een belangrijke manier om vervuiling te voorkomen: als de chemicaliën niet in het milieu blijven bestaan, wordt het risico van transportaccumulatie over lange afstand in biota en dus overschrijding van chronische effectniveaus verminderd. In plaats daarvan wordt de chemische stof afgebroken en komt in de natuurlijke fosforcyclus.

Ik heb QSAR-tools gebruikt, zoals opgenomen in de software EpiSuite van de Amerikaanse EPA, om lacunes in de gegevens in chemische beoordelingen in regelgevende contexten op te vullen om de kosten te verlagen en dierproeven te vermijden. Het screenen van de ca. 8,2 miljoen moleculen die ik heb gegenereerd, leverden een virtuele bibliotheek op van ongeveer 46.000 organofosfaatstructuren die werden geclassificeerd als gemakkelijk biologisch afbreekbaar. Voor deze moleculen werden verschillende milieurelevante eigenschappen voorspeld met verdere QSAR-modellen: atmosferische halfwaardetijden, bodemadsorptiecoëfficiënt, log Kow, oplosbaarheid in water, dampdruk, atmosferische halfwaardetijden, bioconcentratiefactor en genotoxiciteit. De alternatieve chemische structuren werden gerangschikt op basis van hun voorspelde eigenschappen. Belangrijk is dat een alternatieve chemische stof voor TiBP met minder gevaarlijke milieu-eigenschappen het veilige hergebruik en recycling van het textiel waarop het wordt aangebracht, mogelijk maakt. Uit de verbindingen die het hoogst waren gerangschikt op basis van hun voorspelde eigenschappen, selecteerde ik de beste kandidaten, door te kijken naar synthetiseerbaarheid, beschikbaarheid van mogelijke uitgangsmaterialen en chemische stabiliteit. Om de werking ervan te kunnen verifiëren, heb ik met succes de alternatieve verbinding di-n-butyl ethanolfosfaat gesynthetiseerd, waarvan het experimenteel testen van fysisch-chemische eigenschappen en eigenschappen gerelateerd aan gevaren voor het milieu momenteel aan de gang is.

Het herontwerp van de verbinding die voor deze case study is gekozen, laat zien hoe een geïntegreerde benadering en levenscyclusdenken het ontwerp van veilige en duurzame chemicaliën mogelijk maakt. Deze studie zal dienen om barrières in verband met chemische additieven weg te nemen en de weg vrij te maken voor een veilige circulaire economie.

Dit artikel is een vertaling van de ingestuurde samenvatting van het onderzoek van Hannah Flerlage. Onder voorbehoud van fouten voortkomend uit de vertaling. Klik hier voor het originele Engelstalige document.

Referenties

(1) United Nations Environment Programme. Global Chemicals Outlook II. From Legacies to Innovative Solutions: Implementing the 2030 Agenda for Sustainable Development. Synthesis Report, 2019.
(2) Diamond, M. L.; Wit, C. A. de; Molander, S.; Scheringer, M.; Backhaus, T.; Lohmann, R.; Arvidsson, R.; Bergman, Å.; Hauschild, M.; Holoubek, I. et al. Exploring the planetary boundary for chemical pollution. Environment International 2015, 78, 8–15.
(3) Steffen, W.; Richardson, K.; Rockström, J.; Cornell, S. E.; Fetzer, I.; Bennett, E. M.; Biggs, R.; Carpenter, S. R.; Vries, W. de; Wit, C. A. de et al. Sustainability. Planetary boundaries: Guiding human development on a changing planet. Science (New York, N.Y.) 2015, 347, 1259855.
(4) Wang, M.; Hu, C.; Barnes, B. B.; Mitchum, G.; Lapointe, B.; Montoya, J. P. The great Atlantic Sargassum belt. Science 2019, 365, 83–87.
(5) Withers, P. J. A.; Elser, J. J.; Hilton, J.; Ohtake, H.; Schipper, W. J.; van Dijk, K. C. Greening the global phosphorus cycle: How green chemistry can help achieve planetary P sustainability. Green Chem. 2015, 17, 2087–2099.
(6) Baken, K. A.; Sjerps, R. M.A.; Schriks, M.; van Wezel, A. P. Toxicological risk assessment and prioritization of drinking water relevant contaminants of emerging concern. Environment International 2018, 118, 293–303.
(7) Sjerps, R. M.A.; Vughs, D.; van Leerdam, J. A.; ter Laak, T. L.; van Wezel, A. P. Data-driven prioritization of chemicals for various water types using suspect screening LC-HRMS. Water Research 2016, 93, 254–264.
(8) Kim, J.-W.; Isobe, T.; Chang, K.-H.; Amano, A.; Maneja, R. H.; Zamora, P. B.; Siringan, F. P.; Tanabe, S. Levels and distribution of organophosphorus flame retardants and plasticizers in fishes from Manila Bay, the Philippines. Environmental pollution (Barking, Essex : 1987) 2011, 159, 3653–3659.
(9) Sun, Y.; Silva, A. O. de; St Pierre, K. A.; Muir, D. C. G.; Spencer, C.; Lehnherr, I.; MacInnis, J. J. Glacial Melt Inputs of Organophosphate Ester Flame Retardants to the Largest High Arctic Lake. Environmental science & technology 2020, DOI: 10.1021/acs.est.9b06333.
(10) van der Veen, I.; Boer, J. de. Phosphorus flame retardants: Properties, production, environmental occurrence, toxicity and analysis. Chemosphere 2012, 88, 1119–1153.
(11) Keijer, T.; Bakker, V.; Slootweg, J. C. Circular chemistry to enable a circular economy. Nature chemistry 2019, 11, 190–195.
(12) ECHA. Triisobutyl phosphate: Substance Infocard. https://echa.europa.eu/substance-information/-/substanceinfo/100.004.363 (accessed October 17, 2020).
(13) Alygizakis, N. A.; Oswald, P.; Thomaidis, N. S.; Schymanski, E. L.; Aalizadeh, R.; Schulze, T.; Oswaldova, M.; Slobodnik, J. NORMAN digital sample freezing platform: A European virtual platform to exchange liquid chromatography high resolution-mass spectrometry data and screen suspects in “digitally frozen” environmental samples. TrAC Trends in Analytical Chemistry 2019, 115, 129–137.