綠色化學第一講

綠色化學與

環(huán)境友好催化劑

左勝利講課內(nèi)容1）綠色化學的歷史背景及發(fā)展；2）綠色化學的概念及內(nèi)容；3）綠色化學的12項原則及工藝；4）綠色化學的合成；5）綠色化學的未來；6）環(huán)境友好催化劑參考教材

[1]仲崇立。綠色化學導論。北京：電子工業(yè)出版社，2000[2]

PTAnastas,JCWarner．GreenChemistry(TheoryandPractice).Oxford：OxfordUniv.Press，1998[3]御園生誠，村橋俊一，GreenChemistry．日本：講談社，2001[4]宮本純之．GreenChemistry．日本：化學同人，2001[5]御園生誠．EnvironmentalCatalystsandGreenChemistry．日本：化學同人，2001[6]環(huán)境催化劑．日本表面科學會．日本：共立出版社，1997[7]閆立峰。綠色化學。合肥：中國科學技術大學出版社，2007

第一講

綠色化學的歷史背景

20世紀化學工業(yè)的貢獻及其帶來的環(huán)境污染

在醫(yī)藥上：

1928年第一個抗生素盤尼西林（Penicilllin）的發(fā)現(xiàn)，開創(chuàng)了一系列抗生素類藥物開發(fā)的先河。1953年又發(fā)現(xiàn)了DNA的雙螺旋結(jié)構(double-helixstructure)，為研制基因工程藥物奠定了基礎，這些在減輕人類病痛、預防疾病、保障健康、延長壽命等方面起到了十分重要的作用。

例一

在農(nóng)業(yè)上:1973年合成氨化學肥料的生產(chǎn)。

1941年主要殺蟲劑DDT進入市場。今天的除草劑、殺菌劑等，這些成就為糧食、蔬菜等食品的豐收起了重要作用，減輕人口增長對食物需求的壓力。

例三

對人類健康的危害性和對環(huán)境、生態(tài)的破壞

1961年在歐洲引起了一起對藥物Thalidomide的恐慌。婦女在孕期為了減少惡心和嘔吐而服用這個藥物，卻發(fā)現(xiàn)所生的小孩帶有嚴重的缺陷。估計全世界有1萬人之多，引起了社會關注，合成化學品作為藥物對人類產(chǎn)生的影響。

例四

1962年海洋生物學RachaelCorson所著的《寂靜的春天》，書中詳細地敘述了DDT和其它殺蟲劑對各種鳥類產(chǎn)蛋的影響，這些化學試劑通過皮膚、消化道進入人體，使人中毒。并在地球大氣循環(huán)的作用下，被帶到世界各地，甚至在北極的海豹和南極的企鵝體中也發(fā)現(xiàn)了DDT，因而DDT于1941年上市至1972年禁止使用，長達30余年間。

例五

如，Dioxin，這是一種劇毒化學品。在發(fā)達國家中如美國、日本近年來大量被發(fā)現(xiàn)，長期接觸對人身健康就會造成危害。而且還有一些可能引起致癌的苯、氯化物、氮化合物等有毒有害物質(zhì)。例六

在我國，化學工業(yè)同樣給人民帶來了豐富多彩的生活和電視、電影等娛樂方面的巨大進步，同時也引起了環(huán)境污染、危害健康的事例如：江河水流、小型造紙、農(nóng)藥廠等的污染，大氣受鍋爐燃煤、汽車排放物的污染，還有塑料制品的白色污染等等，這些都已引起人們的關注、政府的立法和治理。預防與治理方法及措施

1.利用稀釋來解決污染問題2.通過命令與管理規(guī)則來進行廢物處理與抑制3.防止污染4.綠色化學綠色化學

概念特徽目標綠色化學

概念：

是在化學物質(zhì)和制造工藝的創(chuàng)成，設計以及應用過程中，把有害物質(zhì)的生成和使用進行削減或消除的一門學科。是把未來社會能可持續(xù)發(fā)展相適的化學技術體系，包括基礎化學，應用化學、化學技術，產(chǎn)業(yè)制造等，是一門綜合性學科。

綠色化學

Anastas：指出：綠色化學針對人體、環(huán)境有害的原料、制品、溶劑、試劑等使用，以及削減副產(chǎn)物、廢棄物的發(fā)生或停止使用作為目的，在化學技術上解決方法。綠色化學

特徵：是以預防為主的特徵

綠色化學是在化學制品設計階段，對生態(tài)學的惡劣影響最小，并且經(jīng)濟效率向上制造產(chǎn)品的運動，這些運動在進行研究、設計時可以進行預防。把預防作為著力點，積極而全面地考慮，才能達到保護環(huán)境的目的。綠色化學

化學工業(yè)的E因子

生產(chǎn)量

E-因子石油制品10-6~10-8約0.1基礎化學品10-6~10-8＜1~5精細化學品10-6~10-85~50醫(yī)、農(nóng)藥10-6~10-825~＞100E-因子：廢物與目標產(chǎn)物的質(zhì)量比綠色化學

目標：a減少大量的化學工藝、化學制品所帶來的環(huán)境負荷

。b提高化學產(chǎn)品的經(jīng)濟性、效益性。經(jīng)濟性沒有的話，普及綠色化學是困難的、不可能的。環(huán)境負荷的降低與經(jīng)濟性是平衡關系，因此要求：環(huán)境負荷減少并且產(chǎn)品具有競爭力。c構筑化學與社會之間信賴關系。確保綠色在社會上的重視。綠色化學的12原則

美國環(huán)境保護官員P.T.Anastas等提出了綠色化學的12條原則

綠色化學的12原則

1.防止廢物的生成比在其生產(chǎn)后再處理更好。（預防）

化學物質(zhì)的處理與消除費用變得十分重要。一般來說，一個化學物質(zhì)的毒性越大，其處理的費用也越大。利用綠色化學的技術來防止或減少廢物的使用與產(chǎn)生，從而避免或堿少由于廢物的工程控制，操作人員保護等所造成的支出。廢物一旦對人類健康及環(huán)境產(chǎn)生污染，所造成的損失將是難以估量的。因此，環(huán)境保護同其他事情一樣，預防永遠優(yōu)于污染后再治理。綠色化學的12原則

2.設計的合成方法應使生產(chǎn)過程所采用的原料最大量地進入產(chǎn)品中。（原子效率）

對于一個化學反應，若所使用的所有材料均轉(zhuǎn)化至最終目標產(chǎn)物中，則該反應就沒有廢物或副產(chǎn)物排放。這種反應的效率最高、量節(jié)約能源與資源，同時也避免了廢物或副產(chǎn)物的分離與處理等過程．是化學反應的理想目標

Trost于1991年提出了“原子經(jīng)濟化學”(AtomEconomy)的概念。原子經(jīng)濟考察一個合成程中所有反應物轉(zhuǎn)化成最終產(chǎn)物的情況。綠色化學的12原則

3.設計合成時只要可能，不論原料、中間產(chǎn)物和最終產(chǎn)品，均應對人體健康和環(huán)境無毒、無害（包括極小毒性和無毒）（低毒性）綠色化學的基本目標是在化學設計的各個方面將危害性降至最小。綠色化學將化學作為解決污染的一個方法，而不是產(chǎn)生污染的問題。通過化學與化學技術自身的改進以實現(xiàn)污染在進行化學設計時必須考慮危害性。只有兩個方法可以降低任何形式危害的危險性。其一為降低暴露性，其二為降低內(nèi)在危害性。在化學設計中應充分考慮危害性．采用各種方法與手段將其降至最小。這不僅從根本上消除或減小危險，而且可以大大降低費用，是最佳的污染防止方法。綠色化學的12原則

4.

化工產(chǎn)品設計時，必須使其具有高效功能，同時也要減少其毒性。（低毒性）綠色化學在這方面的研究通常簡稱為“設計更安全的化學品”。有幾種方法與途徑。第一種方法，如果已知某一反應是毒性產(chǎn)生的必要條件，則可以通過改變結(jié)構使這個反應不發(fā)生，從而避免或降低該化學品的危害性。第二種方法在分子毒性不明確的情況下?？梢哉业交瘜W結(jié)構(如某種功能團的存在)同毒性間的關系，通過避免、降低或除去同毒性有關的功能團來降低毒性。第三種方法如果一種物質(zhì)是有毒的，但當它不能到達使毒性發(fā)生作用的目標器官時，其毒性作用就無法發(fā)生，則該物質(zhì)被轉(zhuǎn)變成無害物質(zhì)。5.

應盡可能避免使用溶劑、分離試劑等助劑，如不可避免，也要選用無毒無害的助劑。（原子效率低毒性）

1輔助劑的一般使用：在化學品的制造、加工與使用中，幾乎處處都使用輔助劑。這些物質(zhì)的使用是用來克服分子或化學晶合成與制造中的特殊障礙。

2輔助劑的影響：對人類健康、環(huán)境及我們居住的生物圈帶來了危害，而且大量地消耗能源與資源。

3綠色的輔助劑：超臨界流體、水、固定化溶劑、無溶劑反應。綠色化學的12原則

綠色化學的12原則6.合成方法必須考慮過程中能耗對成本與環(huán)境的影響，應設法降低能耗，最好采用在常溫常壓下的合成方法。（省能耗）

(1)化學工業(yè)的能量消耗

(2)化學反應中的能量需要

(3)分離過程的能量需要

(4)微波能與超聲能(5)最優(yōu)的化學轉(zhuǎn)換應是最節(jié)能的

7.在技術可行和經(jīng)濟合理的前提下，原料要采用可再生資源代替消耗性資源。（再生可能資源）

(1)可更新原料與枯竭原料

(2)資源使用對環(huán)境的影響

(3)枯竭原料的使用面臨著經(jīng)濟壓力

(4)生物質(zhì)原料的利害關系綠色化學的12原則綠色化學的12原則8.可能的條件下，盡量不用不必要的衍生物，如限制性基保護作用、臨時改變物理／化學工藝（原子效率）

(1)保護基團

(2)暫時改性

(3)加入功能團提高反應選擇性在化學過程中應最大限度地避免衍生步驟，以降低原料的消耗及對人類健康與環(huán)境的影響。綠色化學的12原則9.合成方法中采用高選擇性的催化劑比使用化學劑和助劑更優(yōu)越。（催化劑）1）加強選擇性。選擇性催化可實現(xiàn)反應程度，反應位置及立體結(jié)構方面的控制。選擇性催化不僅可提高原料的利用率，而且可降低廢物的產(chǎn)生，是綠色化學的重要工具與研究方向。2）降低反應活化能。

不僅有益于控制，而且可以降低反應發(fā)生所需的沮度綠色化學的12原則10.化工產(chǎn)品要設計成在其使用功能終結(jié)后，它不會永存于環(huán)境中，要能分解成可降解的無害產(chǎn)物。（生分解性）

1.現(xiàn)狀

2.環(huán)境中的持久性物質(zhì)，塑料農(nóng)藥化學設計中應考慮降解功能綠色化學的12原則11.進一步發(fā)展分析方法，對危險物質(zhì)生成前實行在線監(jiān)測和控制。（計測制御）

分析化學的重點領域是開發(fā)可防止與減少化學過程中有害物質(zhì)生成的方法與技術。開發(fā)精確而又可靠的傳感器、監(jiān)視器及分析技術來評估過程中有害物質(zhì)的產(chǎn)生?？杀苊忸~外試劑的浪費，同時亦可減少廢物的產(chǎn)生與影響。綠色化學的12原則12.

選擇化學生產(chǎn)過程的物質(zhì)，使化學意外事故（包括滲透、爆炸、火災等）的危險性降低到最小程度。（防災）

化學品及化學過程的設計中應充分考慮由毒性、易燃性、易爆性帶來的危害。綠色化學的目標是消除或減少所有的危害面不僅僅是污染與毒性。減少廢物的產(chǎn)生以防止污染是一個有效的污染防止方法.綠色化學主要研究領域一，合成、制造工藝（無機、有機）1，高原子效