绿色化学与绿色化学教育_朱文祥

关键词 绿色化学 绿色化学 12 条原则 美国“总统绿色化学挑战奖” 绿色化学教育
“绿色”已成为 20 世纪末并将继续成为 21 世纪 的一个重要词语 。它的含义不再仅仅是一种颜色的 表述 。它具有更为广泛的社会 、经济 、生产和生活的 内涵 。“绿色和平组织” 、“ 绿色食品” 、“绿色电池” 、 “绿色化学” 、“绿色化学工业” 跃然出现在各种报章 杂志和广告宣传中 , 其中尤以“绿色化学”最为瞩目 。 美国环境保护局(EPA)为各类废弃回收物制订了专 门的标 志 , 以 便于分类 回收 、处理和再 利用 。 1995 年 , 美国总统克林顿设立了一个新奖项“总统绿色化 学挑战奖” , 从 1996 年开始 , 每年对在绿色化学方面 做出重要贡献的化学家和 企业颁奖 。 1999 年 世界 上第一本《绿色化学》杂志诞生 。2000 年 , 美国化学 会出版了第一本绿色化学教科书 。 足见绿色化学得 到世界各国政府 、企业界和化学界的普遍关心和重 视 。 绿色化学已成为世界各国普遍接受和大力实施 的可持续发展方针的重要组成部分 。对于化学家和 化学工程师来说 , 绿色化学可以说是一种战略性的 反思 。那么 , 什么是绿色化学 ? 绿色化学包括什么 具体内涵 ? 当前发展动态如何 ? 化学家应该做些什 么 ? 本文想就这几方面的问题提供一点信息 , 发表 一点见解 , 以引起同行们的注意 , 共同促进绿色化学 目标的实现 。
H3C
+H2 Ni H3C
CH2
CH3
然而 , 一个取代反应或消除反应 , 其原子经济百
分数一定小于 100 %, 因为在这 2 类反应中 , 反应物
中的部分原子不可避免地要变成副产物 :
如丙酸乙酯与甲胺的反应 :
O H3C
+
H3C NH2
※
“原 子经 济” 这 一术 语 是由 斯 坦福 大学 Barry Trost 教授提出来的[ 2] 。 这是一 个关于有多少 反应
%原子利用率 =期望产物式量 ×100/(期望产 物 +废弃副产物)式量
由于反应中生成的副产物通常并不很清楚或者 不易确定 , 故有人提出“原子经济百分数”概念[ 3] :
%原子经济 =被利用的原子总式量 ×100/ 使用 的所有反应物的总式量
即嵌并入最终产物的所有原子的总式量除以所 有反应物的总式量 。例如 , 对于有机化学中的分子 重排反应 、加成反应 , 原子经济百分数可达 100 %。
物转变成最终产物的概念 。原子经济考查在反应物
O CH3
O
H3C
CH3 + H3C
NH
OH
表1
试剂 化学式 C5H10O2 CH5N 总和
FW 102 .132 31 .057
被利用的
化学式 C3H5O CH4N
FW 57 .057 30 .049
没被利用的
化学式 C2H5O
H
FW 45 .061 1 .008
CH 3
[ ] CH2
N+ CH3
H 3C
CH2 CH3
OH- 〉125 ℃ H3C CH
H 3C
+
N CH3 +H2O
CH2 H3C
表2
试剂
被利用的
没被利用
化学式
FW
化学式
FW
化学式
FW
C6H17NO 总和
119 .205
C3H6
42 .080
C3H11NO
77 .125
C6H17NO
污染物的处理 , 处罚污染环境责任者等 , 也即只是对 付和处理已经产生的污染物 。 只是治标 , 而不是治 本 。1990 年的“防 止污染行动” 是第一次着眼于防 止污染物的形成 , 聚焦于最终使污染物处理成为不 必要 。 该行动鼓励工业界和化学界的化学工作者去 研究新的技术和方法以避免产生和使用有害物质 , 鼓励化学家去检讨老的合成路线 , 摸索新的绿色反 应条件 。 例如 , 用水代替有机溶剂或从根本上革除 掉溶剂 ;对于现有的化学试剂 , 开发出新的绿色合成 路线 。 例如 , 使用生物制品代替石油化工原料 , 使用 催化剂代替过量使用试剂 ;设计新的无毒或低毒化 合物以代替现有的具有所 期望性质的化 合物 。 例 如 , 设计新 的杀虫剂 , 使 它只对目标昆 虫有毒杀作 用 , 并能经生物降解为无害物质 。这就是说 , 绿色化 学的着眼点是使污染消灭在生产的源头 , 使整个合 成过程和生产工艺对环境友好 , 这是治本 、治根 , 是 从根本上消除污染的对策 。 这时的合 成反应就是 “绿色反应” , 这时的化学工业就是“绿色化学工业” , 整个化学就可称之为“绿色化学” 。
3 “原子经济”概念
中的原子有多少嵌并入期望的产物中 , 有多少变成 了废弃的副产物 。 最理想的原子经济当然是全部反
应物的原子嵌并入期望的最终产物中 , 不产生任何 废弃物 .这时的原子经济便 是 100 %。 但这只是理 想情况 , 因为化学反应还有它自身的规律 , 不是任意 2 种物质都可以反应 , 生成所需 要的产物 。 故一般 的化学反应过程原子经济较低 。 原子经济的定量表 述就是原子利用率 :
(6)能量消耗越小越好 , 应能为环境和经济方面 的考虑所接受 ;
(7)只要技术上和经济上可行 , 使用的原材料应 是能再生的 ;
(8)应尽量避免不必要的衍生过程(如基团的保 护与去保护 , 物理与化学过程的临时性修改等);
(9)尽量使用选择性高的催化剂 , 而不是靠提高 反应物的配料比 ;
(10)设计化学产品时 , 应考虑当该物质完成自 己的功能后 , 不再滞留于环境中 , 而可降解为无毒的 产物 ;
(11)分析方法也需要进一步研究开发 , 使能做 到实时 、现场监控 , 以防有害物质的形成 ;
(12)一个化学 过程中使用的 物质或物质的 形 态 , 应火等 。
综观以上 12 条 , 可以看出 :绿色化学提出的目 标和任务不是被动地治理环境污染 , 而是主动地防 止化学污染 。这也是绿色化学与环境保护 2 个概念 不同的地方 。绿色化学是“防” , 环境保护是“治” , 只 有从根本上切断污染源 , 才能真正 做到保护环境 。 同时 , 我们也看到 , 绿色化学是一举多得的事情 。 因 为这不仅保护了环境 , 塑造了一个良好的化学形象 , 而且也给企业带来巨大经济利益 。 据估计 , 在美国 每年因执行环境保护法律的规定 , 工业界要多花费 10 至 15 亿美元 。许多公司在应付环保方面的费用 经常超过它们用于开发研究的费用 。如果公司能把 环保方面的费用用于开发研究新产品 , 无疑对公司 的发展十分有利 。 因此绿色化学对公众 、对企业是 一“双赢”战略 。
例 Claisen 分子重排反应 :
H 2C 200 ℃
O
OCHH2
这儿只是改变了 分子内部部分原子的连接方
式 , 所有反 应物中的原子全部 并入最终产物 中 , 所
以 , 这是一个 100 %原子经济反应 。
可以 预 料 , 丙 烯 的 催 化 加 氢 反 应 也 是 一 个
100 %原子经济反应 :
119 .205
C3H6
42 .080
C3H11NO
77 .125
原 子经济百分数仅 为(42 .080/119 .205)×100 =35 .30 %
4 绿色化学在实施中
以美国为例 , 1995 年 , 克林顿总统首次设立“总 统绿色化学挑战奖” , 目的是鼓励促进化学家们设计
和改进化学产品和化工生产过程 , 使其对环境更加 友好 , 经济效益提高 。 自 1996 年开始 , 在华盛顿国 家科学院每年颁发一次 。这是化学科学唯一的总统 级科学奖 。 现已颁发 4 届 , 这 4 届的获奖项目汇列 于表3 中 。
昆虫控制 剂 MACH2 和 INTREPID 为代 表的 一类 Rohm 和 Haas 公司
1998
新型杀虫剂的发明与市场化
8 TAML 氧化剂活化剂 :对于过 氧化 氢用于 绿色氧
Terrence Col lins 卡内基梅隆大学
1999
化过程的活化作用
范例 1 100 %CO 2 用做聚苯乙烯泡 沫包装材料的 环境
1 绿色化学(Green Chemistry)
绿色 化 学 可 以 诠 释 为 环 境 友 好 化 学 (Environmentally Benign Chemistry), 它的核心内 涵是 在反应过程和化工生产中 , 尽量减少或彻底消除使 用和产生有害物质 。 绿色化学的口号最早产生于化 学工业非常发达的美国 。 1990 年 , 美国通过了一个 “防止污染行动” 的法令 。1991 年后 , “绿色化学” 由 美国化学会(ACS)提出并 成为美国 EPA 的中心 口 号 。在这之前 , 虽已通过并实施了上百个环境保护 法律 , 但这些法令只是试图限制污染物的扩散 , 监督
C6H15NO2
133 .189
C4H9NO
87 .120
C2H6O
46 .069
2001 年第 1 期
化 学 教 育
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该反应的原子经济百分数 =(87 .120/ 133 .189) ×100 =65 .41 %。
再如 Hofmann 消 去反应 , 氢氧化 三甲基 -n -
丙基铵受热(>125 ℃)分 解生 成三甲 基胺 、丙 烯和 水 :
(3)只要可能 , 反应中使用和生成的物质应对 人类健康和环境无毒或毒性很小 ;
(4)设计的化学产品应在保持原有功效的同时 , 尽量使其无毒或毒性很小 ;
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化 学 教 育
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(5)应尽量不使用辅助性物质(如溶剂 、分离试 剂等), 如果一定要用 , 也应使用无毒物质 ;
2 绿色化学 12 条原则
Anastas 和 Warner[ 1] 提出了绿色化学的 12 条原 则 , 这些原则可作为实验化学家开发和评估一条合 成路线 、一个生产过程 、一个化合物是不是绿色的指 导方针和标准 :