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[생활과 화학] Green Chemistry (녹색화학)

1. 서론현대 사회에서 화학에 대한 인식은 극도로 양극화되어 있다. 한편으로 화학과 관련된 분야의 사람들은 핵심 과학인 화학의 덕택으로 이룩된 업적을 매우 자랑스럽게 생각한다. 그렇지만 다른 한편으로는 화학과 화학물질에 대해서 심한 두려움을 느끼는 사람도 있고, 가능하면 화학과는 거리를 두는 것이 좋다고 생각하는 사람도 많이 있다. 그러나 화학은 우리 주변의 모든 물질과 관련되어 있기 때문에 화학을 완전히 외면하고 살아갈 수는 없는 것이 현실이다. 화학의 진정한 모습은 지금까지 화학이 미친 영향과 마찬가지로 매우 복잡하고 광범위하다.화학물질이 ‘환경에 미치는 영향’에 대한 사회적인 관심이 높아지고 심각한 문제로 인식되기 시작한 것은 극히 최근의 일이다. 제2차 세계대전 직후에는 화학물질을 생산해서 사용하고 폐기하는 과정을 규제하는 환경 법규는 거의 없었다. 화학물질이 우리의 건강과 환경에 영향을 미칠 수 있다는 우려가 높아지기 시작한 것은 1950년대 후반과 1960년대에 이르러서였다.지금 알아볼 ‘Green Chemistry’은 오염 방지의 한 방법으로, 여러 가지 유용한 오염 방지 대책 중에서 Green Chemistry은 화학제품이나 생산공정 자체의 고유한 성질을 변화시켜서, 원천적으로 우리의 보건이나 환경에 대한 독성을 줄어들게 할 수 있는 방법론을 제시한다는 특징을 가지고 있다. Green Chemistry은 오염을 방지하고 환경 문제를 해결하기 위해서 화학제품과 그 합성 방법 자체를 개선하려는 노력이다. Green Chemistry에서는 마지막 단계에서의 규제가 아니라 오염을 근본적으로 막아내는 것을 목표로 하기 때문에 합성 화학자들이 핵심적인 역할을 하게 된다.Green Chemistry은 화학적 원리와 방법을 이용해서 가장 바람직한 오염 방지 형태인 오염원 저감을 추구한다. 화학물질의 생산 과정에 오염을 막을 수 있는 방법을 도입하고, 오염 방지와 산업 생태학의 중요성을 널리 홍보하는 것도 목표로 한다. 이러한 목표를 달성하기 위해서 화학물질과 상당수가 고엽제로 인한 피해를 입고 있다. 해외참전전우회의 발표에 의하면 기금까지 고엽제로 인한 사망자가 108명, 고엽제 후유증으로 고통에 못 이겨 비관자살한 사람이 12명, 1992년 6월까지 신고된 고엽제 피해자수가 2,286명에 이르고 있다.3) Green Chemistry의 개념“Green Chemistry”이란 단에서 우리는 두 가지 내용을 알 수 있다. ‘녹색’은 환경 친화적이라는 것을 뜻하며 이것이 ‘화학’과 관련이 있다는 의미이다. 바로 단어가 나타내듯이 ‘Green Chemistry’은 환경 친화적인 화학을 의미한다. 국제 순수 응용화학연맹(International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC)이 채택한 정의에 의하면 Green Chemistry은 “유해물질의 사용, 유해물질의 발생을 줄이거나 제거하기 위해 화학 생성물이나 공적을 발명?설계하고 응용하는 것(The invention, design, and application of chemical products and processes to reduce or to eliminate the use and generation of hazardous substances)"을 의미한다. 그렇다면 지금까지의 화학은 환경 비 친화적이었다는 말인가? 대답은 상당부분 ‘그렇다’이다. 지금까지 개발된 수많은 화학물질들이 비록 화학자들이 의도하진 않았다. 할지라도 환경에 해로운 영향을 미쳐왔다. 물질합성의 목적이 해충의 박멸, 잡초의 제거, 질병의 치료와 같이 일차적으로 나타나는 형상을 해결하려는데 있었기 때문에 이러한 물질이 이차적으로 환경에 미치는 영향은 심각하게 고려되지 않았다. 단적인 예가 위에서 언급한, 기적의 물질로까지 칭송을 받았던 살충제 DDT(Dichlorodiphenyltrichloethane)로서 지금은 사용 금지되어 있다.환경에 대한 일반 대중의 의식이 점점 높아감에 따라 환경을 해치지 않고 개발을 추구하려는 시도가 근자에 많은 주목을 받고지 관심을 기울이지 않았다. 그러나 Green Chemistry적 관점에서 볼 때 단순히 목표분자를 합성하는 것만이 목적이 될 수 없다. 합성화학자들은 합성과정에서 배출되는 부산물이나 폐기물에 의한 환경오염을 최소화하는 방식으로 합성과정에서 생성된 폐기물에 대해서도 개발한 합성화학자들에게 임을 묻기 시작하고 있다. 따라서 합성화학자들은 반응초기에서부터 어떠한 원료 및 용매를 사용해야 환경친화적인지, 촉매를 이용할 수는 없는지, 혹독한 조건이 아닌 온화한 조건에서 반응을 진행시킬 수는 없는지, 폐지물의 생성은 없앨 수 없는지 등에 관해 심각하게 고려해야 한다. 물론 이 모든 조건을 만족시키는 것이 불가능할지라도 일부만이라도 충족시킨다면 Green Chemistry적 목적은 달성되는 것이다. 이 책의 나머지 내용에서 알데 외겠지만 Green Chemistry적인 접근법을 택할 때 친환경적 목적을 달성할 뿐 아니라 경제적으로도 이득이 될 수 있다. Green Chemistry의 선구자인 아나스타스의 말을 빌리자면 합성과정에 소요되는 비용(직접비)뿐 아니라 합성과정 및 생성물에 의해 야기된 환경문제를 해결하는데 드는 비용(간접비)까지 고려할 때 “Green Chemistry적 합성”이야말로 가장 경제적인 합성법이다.2-2. Green Chemistry의 원리 및 구성요소1) Green Chemistry의 12원리아나스타스(Anastas)와 워너(Warner)는 그들의 책, “Green Chemistry” 이론 및 실제“에서 화학합성을 하거나 화학공정을 설계할 때 고려해야 할 12가지 원리를 제시한바 있다. 이 원리를 합성과 공정에 적용하면 Green Chemistry이라는 목표를 성취할 수 있을 것이며 따라서 물질을 다루는 연구자들은 이 원리를 안내자로 삼아야 할 것이다. 그러나 실제 상황은 여러 변수들이 존재하고 반응의 효율 경제성도 고려해야 한다. 환경친화적이면서도 효율이나 경제적인 면에 있어서도 기존의 방법을 능가하는 새로운 Green Chemistry적 합성법 키로보릴 화합물로 산화시켰다. 이 과정은 용매나 산화제 같은 시약이 필요없다.분리제를 반드시 사용해야 하는 경우에는 독성이 없거나 적은 것을 사용한다. 분리제는 일반적으로 대량으로 사용되기 때문에 문제가 심각해진다. 분리제는 가격이 비싸고 상당한 양을 사용해야 한다. 또한 분리과정은 열적, 기계적 공정이 필요해 에너지 소모량이 크다. 재결정은 분리방법중 하나이나 상당한 에너지가 소모되며 침전의 생성을 촉진시키기 위해 부가물질을 사용하는 경우가 많다. 혼합물의 분리에 가장 효과적인 크로마토그래피를 이용하는 방법은 대량의 물질을 처리하는데 효과적이지 않다.⑥ 제 6원리 : 환경과 경제적인 관점에서 에너지 소모량을 최소화하도록 합성법을 고안해야 한다. 실온, 대기압에서 진행되는 합성법을 개발하도록 한다.에너지 소모는 가열, 냉각하는데, 초음파를 발생시켜 합성하는데, 압력을 가하거나, 진공을 만드는데, 분리나 정제하는데 발생한다. 이러한 에너지 소모를 최소화하기 위해선 촉매의 사용이 매우 효과적이다. GE 플라스틱(GE Plastic)은 열가소성 플라스틱 수지인 ULTEM을 합성하는데 촉매를 개발하여 에너지 소모량을 25% 줄일 수 있었다.⑦ 제 7원리 : 기술적으로 경제적으로 실용성이 있다면 원료는 고갈성이 아닌 재생가능해야 한다.고갈성(Depleting)과 재생가능성(Renewable)의 차이는 현실적인 시간범위 내에서 판단해야 한다. 현재의 동식물이 궁극적으로 석유나 석탄으로 바뀔 수 있지만 현실적으론 불가능하다. 대표적인 고갈성 자원은 화석원료인 석유, 석탄, 천연가스이고 재생가능 자원은 생물원료 또는 식물성 원료이다. 인간의 수명으로 볼 때 재생될 가능성이 있는 물질도 재생가능 자원으로 볼 수 있다. 이산화탄소는 이러한 관점에서 재생가능한 자원으로 분류된다. 또한 메탄가스도 갈대와 같은 식물이 분해되거나 소와 같은 대형 포유동물의 소화과정에서 자연으로 공급되기 때문에 재생가능한 자원으로 분류된다. 현재 대부분의 유기합성과정의 출발점이 석유화학공업에 의존하고대체 시약인간이나 환경에의 위험성을 줄이기 위해선 유기합성에서 흔히 사용되는 유독하고도 비싼 시약대신 온화한(benign) 화학물질을 사용해야 한다. 에플링은 빛을 시약으로서 사용하여 dithiane과 oxathiane 고리시스템을 절단하여 케톤과 알데히드를 합성하였다. 이러한 고리시스템은 합성 과정중 보호기로 이용되는데 기존의 방식에선 중금속 촉매를 사용하여 절단한다. 빛을 이용한 이 새로운 합성법은 환경 친화적이다.턴도(Tundo)는 메틸화반응에서 기존의 독성과 발암성을 지닌 디메틸황산염 대신 무해한 디메틸탄산염을 이용하여 수행하였다. 약 180~220℃에서 탄산포타슘과 아릴아세토니트릴을 디메틸탄산염과 반응시키면 2-아릴프로피오니트릴이 99% 이상의 선택도로 얻어지고 황산염을 사용했을 경우 생성되는 무기염은 발생하지 않는다.③ 대체 반응조건반응조건은 환경에 매우 큰 영향을 미치기 때문에 기존의 반응조건이 과연 환경친화적인지 평가한 후 그렇지 않다면 환경친화적인 조건으로 대체해야 한다. 반응을 평가함에 있어서 반응을 수행하는데 필요한 비용을 추산하는, 즉 단순히 경제적인 관점에서 평가할 수 없다. 왜냐하면 경제적인 관점에서 이 반응조건이 다른 반응조건보다 유리하다고 판단이 되어도 환경적인 관점에선 그렇지 않은 경우가 많기 때문이다. Green Chemistry에선 반응조건이 환경에 미치는 영향을 평가할 때 에너지적 관점, 부가물질의 사용여부 및 이들의 환경에 미치는 영향, 용매의 종류 등 입체적인 관점에서 평가한다. 이런 여러 요소 중 최근에 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 용매에 관한 것이다. 합성이 이루어지는 매질은 반응이 실제로 일어나는 장소가 되며 거의 용매를 의미한다. 그러나 우선 과연 반드시 용매를 사용해야 하는가 반문할 필요가 있다. 꼭 사용해야 할 경우 용매의 선택에 유의해야 한다. 많은 화학반응이 휘발성 유기용매를 사용한다. 이런 용매는 흡입했을 경우 인체에 상해를 가져올 수 있으며 대기 중에서 스모그를 일으킨다. 따라서 유기용매를 대체할하였다.

자연과학| 2005.03.29| 21페이지| 1,000원| 조회(1,673)

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