4.2绿色化学的原则

2018-04-15 作者： 王麟生；戴立益

4.2绿色化学的原则

Anastas和Warner两人于1998年合著的《绿色化学:理论与实践》(GreenChemistry:TheoryandPractice,OxfordUniversityPress:Oxford,UK1998)提出了“绿色化学的12条原则”,这些原则可作为开发和评估一条合成路线、一个生产过程、一个化合物是不是绿色的标准。Www.Pinwenba.Com 吧这12条原则已为国际化学界所公认,它也为绿色化学技术研究的未来发展指明了方向。

原则一：防止污染优于污染治理化学的发展改变了客观世界和人类社会,它创造的物质财富,显著提高了人类的生活质量,但是近50年来地球出现了严重的环境污染问题。人类为环境污染所付出的代价是巨大的。

据估算,为满足已通过的环境法令的要求,欧共体成员国需花费1300亿美元。在美国每年用于污染物处理及排放的经费超过1000亿美元。新的环境立法和日益严格的国家及国家间的法律将使开支变得越来越大。许多化学公司在环保项目上的预算同他们在科研开发的预算一样庞大,有的已达到每年10亿美元。

闵恩泽、吴巍等：《绿色化学与化工》

从这些事实可以看到,使用、生产有害化学品不仅是原材料的浪费,还有处理处置这些物质的费用,由此导致真正受到损害的是化学及化学工业的发展。避免和降低这些费用的唯一方法,是利用绿色化学的技术来防止或减少废物的产生,从而避免和减少由于废物的工程控制、操作人员保护所造成的支出。绿色化学是对传统化学思维方式的更新和发展,它的目的是把现有化学和化工生产的技术路线从“先污染,后治理”改变为“从源头上防止污染”,从源头上避免和消除对生态环境有毒有害的原料、催化剂、溶剂和试剂的使用以及产物、副产物等的产生,力求使化学反应具有“原子经济性”,实现废物的“零排放”。绿色化学与环境治理是两个不同的概念。环境治理是对已被污染的环境进行治理,使之恢复到被污染前的面目;而绿色化学则是从源头上阻止污染物生成的策略及污染预防,如果没有污染物的使用、生成和排放,也就没有环境被污染的问题,所以防止污染应优于污染治理。

原则二：最大限度地提高原子经济性在有机合成反应中最常见的反应主要包括四类:分子结构互变或异构化的重排反应,两个或多个分子结合在一起的加成反应,一个分子中的某一基团被另一个分子或基团置换的取代反应,由一个分子中脱除部分基团的消除反应。其中有些反应的原子经济性较理想,如重排反应和加成反应基本属于原子经济反应;而有些反应的原子经济性则较差,如取代反应和消除反应的原子经济性则不一定高。

绿色化学的核心是实现原子经济反应,但在目前的条件下还不可能将所有的化学反应的原子经济性都提高到100％。因此,不断寻找新的反应途径来提高合成反应过程的原子利用率,或对传统的化学反应过程不断提高反应的选择性,仍然是十分重要的手段。这就要求开展从包括新合成原料、新催化材料到新合成加工途径、新反应器设计等化学工程的研究,实现各学科交叉结合,由知识创新到技术创新,达到化学合成过程的绿色化。近年来,经过很多人的努力,在这一方面取得了可喜的成果。

原则三：尽量不使用、不产生对人类健康和环境有毒有害的原料通常反应初始原料的选择决定了反应类型或合成路线的许多特征。一旦原料决定下来,其他的选择就相应地随原料的改变而改变。原料的选择很重要,它不仅对合成路线的效率有影响,而且反应过程对环境、人类健康的作用也受原料选择的影响。原料的选择决定了生产者在制造化学品的操作中面临的危害、原料提供者生产时的危害以及运输的风险,所以原料的选择是绿色化学的决定性部分。

绿色化学通过化学与化学技术自身的改进以实现污染的防止,所以在进行化学合成方法设计时,要注意将化学合成中使用的原料的毒害降至最低限度,甚至要达到能消除毒害,实现绿色合成,保障人类健康和环境安全的目标。

原则四：尽可能设计高效且安全的化学品设计高效且安全的化学品的定义是利用构效关系和分子改造的手段使化学品的毒理效力和其功效达到最适当的平衡。通过分子结构的有关知识,化学家已经发展了一些可行的估计和测量化学品性质的方法,能够比较准确地确定化合物的特性,毒理学家和药学家也已开发了其他一些有效工具,利用化学结构知识来表征分子的毒性。

目前,设计高效且安全的化学品有三种比较常见的方法:

（1）如果已知某种化学品的毒性机理,则可以通过改变和修饰该物质的结构使其“致毒反应”不发生,从而避免或降低该化学品的毒害性。当然,任何结构的改变或修饰必须确保分子的性质和功效不变。

（2）如果某些化学品的毒性机理不明确,在设计化学品时,仍可以通过化学结构中某些官能团与毒性的关系,尽量避免或去掉同毒性有关的官能团来降低毒性。

（3）降低有毒化学品的生物利用度。如果一种化学品是有毒的,但当它不能达到使毒性发生作用的生物器官(如胃、肺、肝等)时,其毒性作用就无法产生。化学家可以利用改变分子物理和化学性质如水溶性、极性等的原理,控制分子使其难于或不能被生物器官吸收,从而通过消除或降低生物利用度,降低毒性。

原则五：尽量不使用辅助性物质,如需使用也应使用无毒无害物质在化学品的制造、加工和使用过程中,几乎每一步都要使用辅助物质,如催化剂和溶剂等。大部分情况下,这些辅助性物质对人和环境都有一定的害处。

（1）无毒无害的催化剂代替硫酸、氢氟酸等腐蚀性液体酸催化剂作为催化剂使用的物质种类及形态视其有关化学反应的种类而千差万别。从组成来分,催化剂可以是酸、碱、盐、金属、氧化物、有机金属配合物以及以蛋白质为主要组成的酶。从形态来讲,可分为溶于水成为离子的硫酸、氢氧化钠那样在溶液中靠与反应物质均匀溶合的形态起作用的“均相催化剂”和像金属、氧化铝那样靠固体表面起作用的“非均相催化剂”。

由于催化剂本身也是各种化学物质,因此它们的使用也就有可能对人体及环境构成危害。特别是硫酸、氢氟酸等均相催化剂,其本身具有强烈的毒性、腐蚀性,有的甚至有致癌作用,它们的使用会引起严重的设备腐蚀问题且对操作人员的安全构成危害,而且这些催化剂与产物难以分离,产物处理时产生的大量废物以及废旧催化剂的排放也会造成严重的环境污染。

自上世纪40—50年代起,人们就一直在研究沸石分子筛、阳离子交换树脂等各种固体酸催化剂代替腐蚀严重的液体酸,但均未获得成功。直到进入90年代后,各种新型分子筛催化剂的开发,使得固体酸代替液体酸在苯与烯烃烷基化制取各种烷基苯过程中获得成功应用,彻底消除了废酸的产生和废液的排放,废气和废渣也很少,显示出开发环境友好催化剂对经济和环境所带来的巨大效益。