什麽是綠色化學

20世紀90年代初，化學家提出與傳統的“治理汙染”觀念不同的“綠色化學”的觀念，它要求任何壹個化學有關的活動（包括化學原料的使用、化學和化學工程以及最終產品）對人類的健康和環境都應該是友好的。綠色化學的理想在於不再使用有毒、有害的物質，不再產生廢物。從科學觀點看，綠色化學是化學科學基礎內容的更新；從環境觀點看，它強調從源頭上消除汙染；從經濟觀點看，它提倡合理利用資源和能源，降低生產成本，這是符合可持續發展要求的。 綠色化學的基本原則： ①防治汙染的產生優於治理產生的汙染； ②原子經濟性（設計的合成方法應將反應過程中所用的材料，盡可能全部地轉化到最終產品中）； ③只要可行，應盡量采用對人類和環境低毒或無毒的合成路線； ④設計的化學品應能保留其功效，降低其毒性； ⑤應盡可能避免使用輔助物質（如溶劑、分離試劑等），如使用也應是無毒的； ⑥應考慮到能源消耗對環境和經濟的影響，並應盡量少地使用能源（在常溫、常壓下進行）； ⑦只要技術和經濟上可行，原料應是可再生的，而不是即將耗竭的； ⑧盡量避免不必要的衍生步驟（阻斷基團、保護和脫保護等）； ⑨催化劑（盡可能好的選擇性）優於化學計量性試劑； ⑩化工產品在完成其使命後，應能降解為無害的物質，而不應殘留在環境中； 應進壹步發展分析方法，使有害物質在生成前能夠進行即時在線跟蹤和控制； 在化學轉換過程中，所選用的物質和物質的形態盡可能地降低發生化學事故的可能性（包括泄漏、爆炸、火災等）。 上述12項綠色化學的原則，反映了近年來在綠色化學領域中所開展的多方面的研究工作內容，也指明了未來發展綠色化學的方向，目前逐漸為國際化學界所接受。 化學反應的“原子經濟性”（Atom economy）概念是綠色化學的核心內容之壹，最早由美國斯坦福大學的B．M．Trost教授提出，他針對傳統上壹般僅用經濟性來衡量化學工藝是否可行的做法，明確指出應該用壹種新的標準來評估化學工藝過程，即選擇性和原子經濟性，原子經濟性考慮的是在化學反應中究竟有多少原料的原子進入到了產品之中，這壹標準既要求盡可能地節約不可再生資源，又要求最大限度地減少廢棄物排放。理想的原子經濟反應是原料分子中的原子百分之百地轉變成產物，不產生副產物或廢物，實現廢物的“零排放”（Zero emission）。“原子經濟性”的概念目前也被普遍承認。B．M．Trost獲得1998年美國“總統綠色化學挑戰獎”的學術獎。 （2）綠色化學在行動 綠色化學作為未來化學工業發展的方向和基礎，越來越受到各國政府、企業和學術界的關註。例如，1995年在美國設立了“總統綠色化學挑戰獎”，旨在獎勵在創造性研究、開發和應用綠色化學基本原理方面取得傑出成就的個人、集體或組織。它***包括5個獎項：學術獎、中小企業獎、新合成路線獎、新工藝獎和安全化學品設計獎。 在1998年出版的《綠色化學的理論與實踐》壹書是綠色化學的經典之作，其中詳細闡述了綠色化學的定義、原則、評估方法及發展趨勢。由英國皇家化學會主辦的國際性雜誌《綠色化學》於1999年創刊，其內容涉及清潔化工生產技術的多方面研究成果、綜述和其他信息，並涵蓋了國際上通過化學品的應用或加工來減輕對環境影響的學術研究活動。 沿著壹些美國綠色化學獎的頒獎軌跡，我們可以看出目前綠色化學工藝與技術研究的主要成果和趨勢： ①開發“原子經濟性”反應 近年來，開發原子經濟性反應已成為綠色化學研究的熱點之壹。例如，環氧丙烷是生產聚氨酯塑料的重要原料，傳統上主要采用二步反應的氯醇法，不僅使用可能帶來危險的氯氣，而且還產生大量汙染環境的含氯化鈣廢水，國內外均在開發催化氧化丙烯制環氧丙烷的原子經濟反應新方法。再如，EniChem公司采用鈦矽分子篩催化劑，將環己酮、氨、過氧化氫反應，可直接合成環己酮肟。對於已在工業上應用的原子經濟反應，也還需要從環境保護和技術經濟等方面繼續研究和改進。實現反應的高原子經濟性，就要通過開發新的反應途徑、用催化反應代替化學計量反應等手段，1997年的新合成路線獎的獲得者BCH公司的工作即是壹個很好的例證。該公司開發了壹種合成布洛芬的新工藝（布洛芬是壹種廣泛使用的非類固醇類的鎮靜、止痛藥物），傳統生產工藝包括6步化學計量反應，原子的有效利用率低於40%，新工藝采用3步催化反應，原子的有效利用率達80%，如果再考慮副產物乙酸的回收利用，則原子利用率達到99%。 ②采用無毒、無害的原料 為了人類健康和環境安全，需要用無毒無害的原料代替有毒有害的原料生產所需的化工產品。例如，Monsanto公司以無毒無害的二乙醇胺為原料，經過催化脫氫，開發了安全生產氨基二乙酸鈉的工藝，改變了過去的以氨、甲醛和氫氰酸為原料的二步合成路線，並因此獲得了1996年美國總統綠色化學挑戰獎中的新合成路線獎。另外，國外還開發了由異丁烯生產甲基丙烯酸甲酯的新合成路線，取代了以丙酮和氫氰酸為原料的丙酮氰醇法。 ③采用無毒、無害的催化劑 目前烴類的烷基化反應壹般使用氫氟酸、硫酸、三氯化鋁等液體酸性催化劑，這些催化劑的***同缺點，是對設備的嚴重腐蝕、對人身的危害和產生廢渣、汙染環境等。目前，國內外正從分子篩、雜多酸、超強酸等新催化材料中大力開發烷基化的固體酸催化劑。例如，異丁烷與丁烯的烷基化是煉油工業中提供高辛烷值組分的壹項重要工藝，目前主要使用氫氟酸或硫酸為催化劑，有些公司開發了壹種負載型磺酸鹽/SiO2催化劑和固體酸催化的異丁烷/丁烯烷基化新工藝。 ④采用無毒、無害的溶劑、助劑 大量與化工生產相關的汙染問題，不僅來源於原料和產品，而且來源於制造過程中使用的物質，最常見的是反應介質、配方和分離中所用的溶劑。當前廣泛使用的溶劑是揮發性有機化合物，使用過程中有的會破壞臭氧層，有的會危害人體健康，因此，需要限制這類溶劑的使用。采用無毒無害的溶劑代替揮發性有機化合物溶劑已成為綠色化學的重要研究方向。目前，最活躍的研究項目是開發超臨界流體，特別是超臨界二氧化碳作溶劑。1997年的學術獎授予North Carolina大學的J．M．DeSimone教授，獎勵他設計了壹類表面活性劑，這種表面活性劑是親二氧化碳的物質，可以產生親二氧化碳和親溶質的兩性作用，從而使得二氧化碳可廣泛地作為溶劑使用以代替含鹵素的常規有機溶劑。 除采用超臨界溶劑外，還有研究水或近臨界水作為溶劑以及有機溶劑/水相界面反應。以水為介質的有機合成反應是環境友好合成反應的壹個重要組成部分，水相中的有機反應，操作簡便、安全，沒有有機溶劑的易燃、易爆等問題，資源豐富、成本低、無汙染。雖然水是潛在的環境友好的反應介質，但以水為介質必然引出許多新問題，如有機底物在水中的疏水作用，反應底物和試劑在水中的穩定性，水中大量存在的氫鍵對反應的影響，有可能改變反應的機理等，因此，水相有機合成反應的研究成為有機合成化學壹個活躍的研究領域。2001年美國“總統綠色化學挑戰獎”的學術獎授予我國在美學者李朝軍教授，也表明水相有機反應的研究正在受到越來越多的關註。李朝軍教授在設計和發展水中和空氣中進行過渡金屬介入和催化有機反應方面取得了壹系列引人矚目的創新成果，水相催化反應在藥物合成、精細化學品合成以及高聚物的合成等方面都有廣闊的應用前景，為傳統上只能在惰性氣體和有機溶劑中進行的有機合成反應開辟了嶄新的領域。 ⑤利用可再生的資源合成化學品 利用可再生的生物量（Biomass、生物原料）代替當前廣泛使用的不可再生的石油，是壹個具有重大意義的長遠發展方向。將生物質轉化為動物飼料、工業化學品和燃料的技術是十分活躍的研究領域。美國的M．Holtzapple教授在這方面取得了傑出的成就，獲得了1996年的美國“總統綠色化學挑戰獎”的學術獎。 雖然，對於某些生物催化劑是否會導致汙染還沒有明確的結論，但總的來說，生物轉化非常符合綠色化學的要求，具有高效、高選擇性和清潔生產的特點，反應產物單純，易分離純化，可避免使用貴金屬和有機溶劑，能源消耗低，可以合成壹些化學方法難以合成的化合物。1996年美國總統綠色化學挑戰獎中的學術獎授予Taxas A & M大學M．Holtzapple教授，就是由於其開發了壹系列技術，把廢生物質轉化成動物飼料、工業化學品和燃料。著名化學家Chi－Huey Wong以在酶促反應所取得的引人註目的創新成就獲得了2000年美國“總統綠色化學挑戰獎”。 ⑥環境友好產品 隨著環境保護成為現代社會的***識，社會越來越需要環境友好的產品，各國政府制定的標準，對產品在這方面的質量要求也不斷提高。例如，機動車燃料，隨著環境保護要求的日益嚴格，為了減小由汽車尾氣中壹氧化碳以及烴類引發的臭氧破壞和光化學煙霧等空氣汙染，美國政府逐步推廣使用新配方汽油，它要求限制汽油的蒸汽壓和苯的含量，還將逐步限制芳烴和烯烴含量，要求在汽油中加入含氧化合物（如甲基叔丁基醚、甲基叔戊基醚）。這種新配方汽油質量要求的提高，已推動了有關煉油技術的發展。再如，從1996年美國總統綠色化學挑戰獎的安全化學品設計獎，授予了Rohm&Haas公司，由於其開發成功壹種環境友好的海洋生物防垢劑，用於阻止海洋船底汙物的形成。中小企業獎授予了Donlar公司，因其開發了兩個高效工藝以生產熱聚天冬氨酸，它是壹種代替丙烯酸的生物可降解產品。 （3）我國綠色化學的活動 我國在綠色化學方面的活動也逐漸活躍。1995年中國科學院化學部組織了《綠色化學與技術—推進化工生產可持續發展的途徑》院士咨詢活動，對國內外綠色化學的現狀與發展趨勢進行了大量調研，並結合國內情況，提出了發展綠色化學與技術、消滅和減少環境汙染源的七條建議。1997年由國家自然科學基金委和中國石油化工總公司聯合資助的“九五”重大基礎研究項目《環境友好石油化工催化化學與化學反應工程》正式啟動，項目涉及我國石油化工的壹些重要過程，即導向基礎性研究、技術可行性的初步探索和技術可行與經濟合理性的重點探索三個層次，開展采用無毒無害原料、催化劑和“原子經濟”反應等新技術的探索研究，為解決現有生產工藝存在的環境問題奠定基礎。同年，為實施科教興國戰略，實現到2010年以及21世紀中葉我國經濟、科技和社會發展的宏偉目標，確保科技自身發展能力不斷增強，迎接新世紀挑戰的迫切需要而制定的《國家重點基礎研究發展規劃》，也將綠色化學的基礎研究項目作為支持的重要方向之壹。此外，壹些大專院校也紛紛成立了專門的綠色化學研究機構。