绿色化学复习题

绿色化学复习题

一.基本概念

生物多样性、光化学烟雾、可再生资源、原子利用率、环境墒、环境因子、绿色化学12原则及后12原则、生物放大(聚集)、产毒结构、超临界流体

二.问答题

1、人类目前面临的主要环境问题有哪些?造成这些困境的原因是什么?

2、可持续发展观的主要观点是什么?它与传统的发展观有何区别?

3、如何看待化学学科?

4、如何面对能源短缺?

5、为什么要大力发展绿色化学?

6、产率与原子利用率的区别?

7、举例说明如何提高反应的原子利用率。

8、如何用原子经济性评价常规的四种反应类型(重排、加成、取代及消除反应) ?

9、绿色化学与环境污染治理的异同点。

10、什么是绿色化学品?

11、设计安全有效化学品的外部效应原则是什么?

12、设计安全有效化学品的内部效应原则是什么?

13、避免有毒化学品毒性的途径。

14、化学品产生毒性的三要素。

15、如何避免物质的直接中毒?

16、什么是间接中毒?如何避免间接中毒?

17、用辛醇-水分配系数表征有毒化学品毒性的一般准则是什么?

18、可降解的化合物在化学结构和物理性质上有何特点?

19、常见可降解和不可降解的基团有哪些?

20、为什么说催化剂在绿色化学中有十分重要的意义?

作为反应溶剂的局限性及解决办法。

21、超临界CO

2

三.讨论题

1、你认为绿色化学能实现从源头上消除污染吗?

理论(起源、发展、目标、原则、方法等)

实际(结合我国国情、现状)

目前存在的主要问题

2、自选一条目前使用的有机化学合成路线，用绿色化学原理对其进行评价并设计一条更佳的新路线。

3、举例说明化学品对局部环境和全球环境产生的影响。

4、某化合物的结构如下，指出其可能引发的中毒反应。

5、可降解的化合物在化学结构和物理性质上有何特点?

6、肠胃、肺和皮肤吸收的特点有哪些?如何通过改变分子性质避免其被吸收?

7、计算机辅助绿色化学合成路线设计的必要性及基本方法。

8、超临界流体与普通流体相比有何特点?使用超临界流体作为反应介质有何优点?

9、生物质资源的利用面临哪些挑战?

10、试对比化石资源和生物质资源作为化学化工原料的优缺点。

（1）生物多样性：生物多样性是生物及其环境形成的生态复合体以及与此相关的各种生态过程的综合，包括动物、植物、微生物和它们所拥有的基因以及它们与其生存环境形成的复杂的生态系统。

（2）光化学烟雾：是汽车、工厂等污染源排入大气的碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NOx）等一次污染物在阳光（紫外光）作用下发生光化学反应生成二次污染物，参与光化学反应过程的一次污染物和二次污染物的混合物（其中有气体污染物，也有气溶胶）所形成的烟雾污染现象，是碳氢化合物在紫外线作用下生成的复杂成分的有害浅蓝色烟雾。

（3）可再生资源：可再生资源是指能够通过自然力以某一增长率保持或增加蕴藏量的自然资源。其可以通过天然作用再生更新，从而为人类反复利用。（4）原子利用率：原子利用率是指被利用的原子数比上总原子数。其公式为原子利用率=（预期产物的总质量/全部反应物的总质量）×100%

（5）环境墒：环境商（EQ）：是化工产品生成过程中产生废弃物量的多少、物化性质及其在环境中的毒性行为等综合评价指标，用以衡量合成反应对环境造成影响的程度。（定义：EQ＝E * Q。式中：E为环境因子；Q为根据废物在环境中的行为给出的废物对环境的不友好程度。）

（6）环境因子：环境因子（E），是构成环境组成的下一个层次的基本单元。如属于气候要素的气温、降水、湿度、风等。是指在一个化学反应过程中，所生成废物质量占目标产物质量的比值。

（7）绿色化学12原则及后12原则：

①预防环境污染、②提高原子经济、③提倡无害的化学合成方法、④设计更安全的化学品、⑤使用更安全溶剂和助剂、⑥提高能量的使用效率、⑦使用可再生的原料、⑧减少衍生物的生成、⑨开发新型催化剂、⑩设计可降解材料、⑾加强预防污染中的实时分析、⑿防止意外事故的安全工艺。

(1)尽可能利用能量而避免使用物质实现转换;(2)使用可见光有效地实现水的分解;(3)采用的溶剂体系可有效地进行热量和质量传递的同时,还可催化反应并有助于产物分离;(4)开发具有原子经济,又对人类健康和环境友好的合成系统方法;(5)不使用添加剂,设计无毒无害、可降解的塑料与高分子产品;(6)设计可回收并能反复使用的物质;(7)开展“预防毒物学”研究,使得有关对生物与环境方面的影响机理的认识可不断地结合到化学产品的设计中;(8)设计不需要消耗大量能源的有效光电单元;(9)开发非燃烧、非消耗大量物质的能源;(10)开发大量二氧化碳和其他温室效应气体的使用或固定化增值过程;(11)实现不使用保护基团的方法进行含有敏感基团的化学反应;(12)开发可长久使用、无需涂布和清洁的表面和物质。

（8）生物放大(聚集)：指某些在自然界不能降解或难降解的化学物质，在环境中通过食物链的延长和营养级的增加在生物体内逐级富集，浓度越来越大的现象。

（9）产毒结构：有些物质没有直接的毒性，但由于其分子的特殊结构，它能在代谢过程中转化为与有毒的物质，这种结构特征称为“产毒结构”。

（10）超临界流体：是指温度、压力高于其临界状态的流体。温度与压力都在临界点之上的物质状态归之为超临界流体。

1、人类目前面临的主要环境问题有哪些?造成这些困境的原因是什么?

2、可持续发展观的主要观点是什么?它与传统的发展观有何区别?

3、如何看待化学学科?

化学是研究物质的性质、组成、结构、变化和应用的科学。世界是由物质组成的，化学则是人类用以认识和改造物质世界的主要方法和手段之一，它是一门历史悠久而又富有活力的学科，它的成就是社会文明的重要标志。人类的生活能够不断提高和改善，化学的贡献在其中起了重要的作用。化学是一门综合性、知识性强的中心学科，在与物理学、生物学、天文学等学科的相互渗透中，得到了迅速的发展，也推动了其他学科和技术的发展。例如，核酸化学的研究成果使今天的生物学从细胞水平提高到分子水平，建立了分子生物学。总而言之，化学学科对于社会发展意义重大，在未来的科学领域和生活所在都日益变得息息相关。

4、如何面对能源短缺?

(1)高度重视节约，积极开展节能工作(2)大力发展新能源技术和节能技术科学技术是第一生产力(3)加大经济结构调整力度(4)形成合理的能源价格机制(5)完善能源储备制度与参与国际合作(6)建立中国特色的新能源与可再生能源发展基金(7)加强节能法制建设。

5、为什么要大力发展绿色化学?

绿色化学不但有重大的社会、环境和经济效益,而且说明化学的负面作用是可以

避免的,显现了人的能动性.绿色化学体现了化学科学、技术与社会的相互联系和相互作用,是化学科学高度发展以及社会对化学科学发展的作用的产物,对化学本身而言是一个新阶段的到来.作为新世纪的一代,不但要有能力去发展新的、对环境更友好的化学,以防止化学污染;而且要让年轻的一代了解绿色化学、接受绿色化学、为绿色化学作出应有的贡献。

6、产率与原子利用率的区别?

原子利用率是指反应物的原子转化为产物的原子百分率。产率：实际得到产物的质量占理论上得到产物的质量的比率。

7、举例说明如何提高反应的原子利用率。

8、如何用原子经济性评价常规的四种反应类型(重排、加成、取代及消除反应) ?

(1)重排：原子经济性；(2)加成：原子经济性；(3)加成：非原子经济性；(4)消去：非原子经济性

9、绿色化学与环境污染治理的异同点

环境化学是一门研究污染物的分布、存在形式、运行、迁移及其对环境影响的科学。环境治理则是对已被污染了的环境进行治理，即研究污染物对环境的污染情况和治理污染物的原理和方法。而绿色化学是从源头上阻止污染物生成的新学科，它是利用化学原理来预防污染，不让污染产生，而不是处理已有的污染物。

10、什么是绿色化学品?

绿色化学品是在生产使用过程中不会对人造成直接或间接伤害且不会对环境造成直接或间接污染的化学品。

11、设计安全有效化学品的外部效应原则是什么?

“外部”效应原则，主要是指通过分子设计。改善分子的与其在环境中的分布、人和其他生物机体对它的吸收性质等重要物理化学性质，从而减少它的有害生物效应。通过分子结构设计，从而增大物质降解速率、降低物质的挥发性、减少分子在环境中的残留时间、减小物质在环境中转化为具体有害生物效应物质的可能性等均是重要的“外部”效应原则的例子。另外，通过分子设计，从而降低或妨碍人、动物、水生生物对物质的吸收也是“外部”效应原则要面对的问题。

12、设计安全有效化学品的内部效应原则是什么?

“内部”效应原则通常包括分子设计以达到以下目标：增大生物解毒性，避免物质的直接毒性和间接生物毒性或生物活化。增大生物解毒性包括把分子设计为本身是亲水性的或很容易与葡萄糖醛酸、硫酸盐或氨基酸结合，从而加速其从泌尿系统或胆汗中排出。要避免物质的直接毒性，就要把物质分子设计成无毒无

害类化合物，或在分子中引入一些无毒功能团。

13、避免有毒化学品毒性的途径。

(1)让化学品不容易进入人的身体；

(2)即使进入人体也不会影响生物化学和生理过程

14、化学品产生毒性的三要素。

接触致毒、生物吸收致毒、固有毒性致毒

15、如何避免物质的直接中毒？

(1)选择无毒物质 (2)选择官能团时避免有毒官能团或对有毒官能团进行结构屏蔽

16、什么是间接中毒? 如何避免间接中毒?

间接中毒也称生物活化，是指物质在初始结构时并不具有毒性，但它进入人体后，会转化为有毒的物质，如致癌物质。

避免方法：①不使用具有生物活化途径的分子：强的亲电性或亲核性基团；不饱和键；其他分子结构特征；②对可生物活性结构进行生物屏蔽

17、用辛醇-水分配系数表征有毒化学品毒性的一般准则是什么?

对于表现出麻痹型毒性的非离子有机化合物

LogP≤5其致死性和慢性毒性均会随脂溶性呈指数增加

LogP>5时毒性随脂溶性指数减少，因此对生物活性降低

LogP5-8时长期接触有害的这类非离子型有机物呈现慢性毒性

LogP≥8时长期接触也表现不出毒性，因为此时水溶性很差，化学品变得没有生物活性

18、可降解的化合物在化学结构和物理性质上有何特点?

化学结构：

(1)具有水解酶潜在作用为的物质会增大其生物降解能力（比如酯，酶）；

(2)在分子中引入以羟基、醛基、羧基形式存在的氧会增大其生物降解性。

(3)存在为取代的直链烷基（尤其是大于4个碳的直链）和苯环时，由于恪守氧化酶进攻，因而可增大其生物降解能力

(4)水中溶解度大的物质更容易生物降解

(5)相对低取代的化合物。

物理性质：溶解度和分子尺寸等

19、常见可降解和不可降解的基团有哪些?

可降解基团：

(1)具有水解酶潜在作用为的物质会增大其生物降解能力（比如酯，酶）；

(2)在分子中引入以羟基、醛基、羧基形式存在的氧会增大其生物降解性；

(3)存在为取代的直链烷基（尤其是大于4个碳的直链）和苯环时，由于恪守氧化酶进攻，因而可增大其生物降解能力；

(4)水中溶解度大的物质更容易生物降解；

(5)相对低取代的化合物。

不可降解的基团：

(1)卤代物，尤其是氯化物和氟化物；

(2)支链物质，尤其是季碳和季氮或是极度分支的物质，如三聚或四聚丙烯；

(3)硝基、亚硝基、偶氮基、芳氨基；

(4)多环残基（如多环芳香烃或稠环芳烃），尤其是超过三元的多环稠环或芳烃；

(5)杂环残基，比如吡啶环；

(6)高取代的化合物比低取代的化合物更不易降解。

20、为什么说催化剂在绿色化学中有十分重要的意义?

催化剂可以加快热力学上可能进行的反应的速率（合成氨中的Fe-K

2OAl

2

O

3

），

可控制反应产物化学物种的选择性（乙烯选择性氧化的不同催化剂：PdCl

2

-V配

合物，Ag/Al

2O

3

，Ni），控制产物的立体规整结构(丙烯的聚合：氧气或过氧化物，

Ziegler-Natta)，定向不对称合成旋光异构体(Ru手性膦配合物用于 2-（6-甲氧基－2萘基）丙烯酸+氢生产左旋二羟基苯并氨酸)，与温度控制化学物种选择性，与接触时间共同控制产物化学物种选择性（甲烷氧化生产合成气中的Ni/

Al

2O

3

），具有高度专一性，高选择性，高的反应物转化率和反应的原子经济性的

特殊功能的分子机器。

催化科学和技术在绿色化学发展中有重要作用。在污染防治（减少和消除发电厂的废气以及汽车尾气中NOx的排放；减少挥发性有机溶剂的使用等；）活化新的反应原料，催化与反应过程的改善（乙醛的合成、对苯二酚的合成、羰基化合物的合成）等方面都有重要应用。

21、超临界CO,作为反应溶剂的局限性及解决办法。

超临界CO

2

作为反应溶剂的优点：

(1)可以通过改变压力，在“像气相”和“像液相”之间调节流体的性质，即通过压力变化，使其性质在接近于气体性质或接近于液体性质之间变化，这样为更好地实现化学反应提供了方便。超临界流体的密度与液体的接近，溶剂强度也接近液体，因而，是很好的溶剂，使用超临界流体，可通过调节压力来改变密度，从而调节一些与密度相关的溶剂性质，如介电性、黏度等，这样就增大了控制化学反应的能力和改变化学反应选择性的可能性。超临界流体又具有某些气体的优点，如低粘度、高气体溶解度、高扩散系数等，这对快速化学反应，尤其是扩散控制化学反应或包含有气体反应物的反应是十分有利的。

(2)二氧化碳不可能再被氧化，因而是理想的氧化反应的溶剂。同时，还可以利用超临界二氧化碳中二氧化碳浓度高的这一性质，是二氧化碳作为反应物的反应在超临界二氧化碳中进行，从而提高反应速率、甚至开发出新的反应。

超临界CO

2

作为反应溶剂的缺点：

(1)超临界二氧化碳用于合成化学的最大限制是其溶剂化性质，即物质在超临界二氧化碳中的溶解度。目前，已经进行的研究表明，在超临界二氧化碳中，物质的溶解度与其密度密切相关，且可以通过加入共溶剂使其大大增加。超临界二氧化碳的溶解度与环己烷类似，同时还具有一定的接受氢键的能力和一定的极性选择性，因袭，相对分子质量小于400的非极性有机物，如烷烃、烯烃、芳烃、酮、醇等均可溶于超临界二氧化碳中，而高极性的化合物，如糖、氨基酸等则不溶；聚硅烷和附带聚合物可溶，而其他聚合物则不溶，利用相稳定剂或起泡剂有时可克服聚合物不溶这一局限。

(2)由于盐类不溶于超临界二氧化碳中，因此，不能用超临界二氧化碳作离子间

反应的溶剂，也不能用超临界CO

2

作为离子作催化剂的反应的溶剂。要克服这一限制，可采用螯合剂、相转移剂或高亲油性的离子来把离子物种引入超临界二氧化碳中，也可将金属粒子转变为中心络合物，然后把其引入超临界二氧化碳中。

(3) 由于二氧化碳的亲电性，它会与一些路易斯碱发生化学反应，因此不能用作路易斯碱反应的溶剂。

三、讨论题

1、你认为绿色化学能实现从源头上消除污染吗?理论(起源、发展、目标、原则、

方法等)实际(结合我国国情、现状)目前存在的主要问题

绿色化学的目标是：化学过程中不产生污染，即将污染消除与其产生之前。实现这一目标后就不需要治理污染，因其根本就不产生污染，是一种从源头上治理污染的方法，是一种治本的方法。

2、自选一条目前使用的有机化学合成路线，用绿色化学原理对其进行评价并设计一条更佳的新路线。

著名除草剂Roumdup(r)的中间体亚氨二乙酸二钠的合成方法：

NH

3 +2HCHO+2HCN→NCCH

2

NHCH

2

CN NaOH NaOOC-CH

2

-NH-CH

2

-COONa；

新合成方法：HO-CH

2-NH-CH

2

-OH NaOH NaOOC-CH

2

-NH-CH

2

-COONa。

评价：原来的生产工艺，不符合绿色化学的理念。

1、反应原料的化合物HCN，具有易挥发、巨毒性的特点，严重威胁化工生产安全性；

2、反应流程复杂，极易造成原料损失，产生浪费；

3、原子利用率较低，而新的生产流程可以使得原料都百分百进入产物之中；等。

3、举例说明化学品对局部环境和全球环境产生的影响。

①对局部环境的影响：

如氮氧化物排放→酸雨→植物、鱼类死亡；

汽车尾气排放→光化学烟雾→使人生病

②对全球环境的影响：

二氧化碳排放→温室效应→海平面升高，沿海地区被淹没：气候变化→影响人类健康。

氟氯烃排放→臭氧层空洞→紫外线照射增加→皮肤癌等

4、某化合物的结构如下，指出其可能引发的中毒反应。

答：-Cl可能发生取代反应；-C=O可能发生加成反应；-N=C=O可能发生加成反应；-C≡N可能发生加成反应。

5、可降解的化合物在化学结构和物理性质上有何特点?

化学结构：

（1）具有水解酶潜在作用为的物质会增大其生物降解能力（比如酯，酶）；（2）在分子中引入以羟基、醛基、羧基形式存在的氧会增大其生物降解性。（3）存在为取代的直链烷基（尤其是大于4个碳的直链）和苯环时，由于恪守氧化酶进攻，因而可增大其生物降解能力

（4）水中溶解度大的物质更容易生物降解

（5）相对低取代的化合物。

物理性质：溶解度和分子尺寸等

6、肠胃、肺和皮肤吸收的特点有哪些?如何通过改变分子性质避免其被吸收?

7、计算机辅助绿色化学合成路线设计的必要性及基本方法。

在设计新的安全有效的合成路线时，既要考虑到产品的性能优良、价格低廉、又要使产生的废物和副产品最少，对环境无害，当然其难度可想而知。对一个结构较为复杂的分子进行逆合成分析时，第一步时可以找出N种合成方法，那么进行第二步搜索时就可找出N2 种方法，如此类推，到第五步时将有N5 种合成路线，如果一条一条地进行实验，要花许多的时间和经费，如果让人对这些合成路线进行取舍，也是不可能的。只有借助与计算机，赋予它某种“智能”，让其按我们指定的方法自动地比较所有可能的合成路线，随时排除不适合的路线以便找出最终的经济、不浪费资源、不污染环境的最佳合成路线。

基本方法：

（1）建立一个尽可能全的化学反应的资料库，对计算机进行训练，告诉并教会计算机，哪些物质在一起在什么样的条件下会发生什么样的化学反应；

（2）提出要求，即确定目标产物及可能采用的原料；

（3）让计算机找出能生产目标产物的反应及所需原料；

（4）以上一步的原料为目标产物再做搜寻，找出该目标产物的合成反应及原料。直到得出我们预定的原料；

（5）比较各条可能的反应路线的经济技术性及环境效应，从中选出最佳途径。

8、超临界流体与普通流体相比有何特点?使用超临界流体作为反应介质有何优点?

当流体的温度和压力处于它的临界温度和压力以上时，称该流体为超临界流

体。虽然超临界流体的密度与液体的密度相近，但其黏度却只有液体的近百分之

一，因此其流动性要比液体好得多，在相同的流速下，超临界流体的流动雷诺数比液体要大得多，所以传递系数也比液体中大得多。溶质在超临界流体中的扩散系数虽然只有在气体中的几百分之一，但却比在液体中大几百倍，这些都表明，物质在超临界流体中的传递比在液体中的要好得多。

9、生物质资源的利用面临哪些挑战?

（1）生物质的富集；（2）不同种类生物质和在不同地方生长的生物质的不同；（3）连续的操作（4）对混合物的操作（5）产品的浓缩和分离（6）如何有效地利用副产品

10.试对比化石资源和生物质资源作为化学化工原科的优缺点。

（一）采用生物质作为化学化工原料的优点：

（1）生物质可给出结构多样的产品材料，通常具有特定的立体结构和光学特征结构，使用者可在合成过程中利用这些已有的结构因素。

（2）生物质的结构单元通常比原油的结构单元复杂，如能在最终产品中利用这种结构单元结构的复杂性则可减少副产物的生成。

（3）由原油的结构单元衍生所得物质，通常是没有被氧化的，而在碳氢化合物中引入氧的方法是及其悠闲地，且常需要使用有毒实际（比如铬、铅等），造成环境污染。

（4）增大生物质的使用量可以增长原油的使用时间，为可持续发展作出贡献。（5）使用生物质可减少二氧化碳在大气中的浓度，从而减缓问世效应。

（6）化学工业使用更多的可再生资源可使本身在原料上更有保障。

（7）生物质资源比原油有更大的灵活性。

（二）生物质作为化学化工原料的缺点（及化石原料作为化学化工原料的优点）

（1）在经济上还不具备竞争力。石油工业已相当成熟，从石油开采到从原油中提取出各种有用的烃类，再将其加工成为中间物或最终化学品，已形成了大规模的、高效的生产系统。

（2）现在考虑用作化学化工原料的生物质是传统的食品原料，把食品原料改作化学化工原料是否合适？生物质需要大量的土地面积来种植，而化石原料可以集中的进行开采。

（3）生物质有季节性，而化石原料的开采没有。

（4）生物质的组成复杂，不同种类的物质，其组成和性质都可能不尽相同，这使得对这些物质进行分离变得十分困难。