绿色化学综述

绿色化学综述

一、绿色化学的含义

为了从根本上预防和治理环境污染，实现人类的可持续发展，科学家们提出了“绿色化学”的新观念、新学科。

绿色化学是更高层次的化学，又称“可持续发展化学”、“环境友好化学”、“清洁化学”等，在其基础上发展的技术称“绿色技术”、“环境友好技术”或“洁净技术（C1ean Technology）”。

绿色化学的含义可以从二个方面理解：

（一）绿色化学的目的

绿色化学的根本目的是从节约资源和防止污染的观点，来重新审视和改革传统化学，从而使我们对环境的治理从治标转向治本，防止废物的产生优于在其生成后再进行处理或清理——预防优于治理。

在生产和使用化学品和化工产品时，人们会预期或预料到，总要加入一些“正常”的支出。当然，你需要为原料和试剂花钱，因为这些是与产品相关而且是不可分割的一部分。但是在过去的20年中，一个非常重要的花费是处理和处置化学物质的费用。物质的危害性越大，处理该物质的费用就越高。不论是一个大的化工生产厂或一个小的学术实验室，情况皆如此。

在美国许多化学公司，研究和发展的开支与为环境健康和安全的开支相等同。这种情况是多么令人吃惊。这表明，在使用和产生有害物质时，真正受到损害的是科学和化学工业的向前发展和创新。面对着为处理化学实验（包括教学和研究性的实验）中产生的废弃化学物品所付费用的挑战，大学和学院只能减少实验的数目，或者减小所做实验的规模——绿色化学实验。

处置有害物质（通过安置、处理或清除）的费用一直在显著地增加。现在，除非可以免于处置废物，这些费用必须加在预算中。避免增加这些开支的惟一办法是利用绿色化学技术设计化学过程以避免有害物质的使用或者产生。通过这种办法即使不能避免也可以最大限度地降低所有处置有害物质的费用，包括从工程控制、个人保护到为遵守各种法规所需的开支，而且也可避免其他的相关开支。

一种既常见又最容易避免的废物是尚未被转化的原料或者试剂。在当今的价格结构中，一个简单的思考能让你理解浪费原料是怎样的不合逻辑：“当你浪费原料的时候，你是在为此物质付双分的价钱——一份是支付作为原料的费用，另一份是支付作为废物处理的费用；因而，你没有从该物质上获得任何有用的东西。”作为废物处理的费用，常常比最初原料的费用高出许多倍。通过这些论述我们应该知道，如果可以避免却没有避免化学反应中的这样一种浪费将是不可容忍的。

长期以来人们皆认可，在社会的各个方面防止问题的产生都要优于等问题产生以后再来解决。几百年以前就有这样一句谚语，叫做“一两的预防胜于一斤的治疗”。同样的比喻可以用于服用预防性药物的情况。通常认为，使用这些药物比等有了病再治疗更强。

与此相反，化学工业和其他生产或加工化学品的部门回避“预防”已有数十年之久，直到最近这种情况才有所改变。传统上，回避“预防”的理由是（在某些部门甚至直到现在仍这样认为）：虽然一些物质及废物有害，但化学家们知道怎样对付和处理这些化学品。这样的理由与“因为医生懂得怎样治病，因而不必预防生病”一样地不合逻辑。

生活中总会发生一些不可避免的危害和危险需要我们去应对，但是，如果把时间、金钱和精力浪费到处理那些原本可以避免的问题上，那只能是得不偿失。

通常用来评估是否需要对化学物品进行处理或控制的一个标准是：某一废物的产生是否已经造成了破坏。在许多情况下，这个“破坏”只是由加工出来的或转化成的一些无用的物质引起的，把它们从产品中分离出来需要耗费能量、金钱和时间，并几乎总是需要采用一种技术把它们销毁或把它们转化成无害物质。

在衡量因某个废物的产生而造成什么样的危害时，评估常常只是集中在维护人类生命及其健康或保护环境方面。尽管这些标准是应该首先被考虑的，同时也应该认识到，当原本可避免的废物生成时，或者有些时候仅仅使用了可避免的有害物质，“危害”和“破坏”就已经存在了。

加工过程会产生废物，仅仅这样一个事实就意味着需要对有害物质进行分离、处理和安置。使用了有害物质就意味着必须采用特殊的操作、穿着保护服和进行工程控制。最广义地讲，这就是破坏。在评估需使用哪些化学物质或采用哪些化学过程时应考虑到这种“破坏”。也许在某些情况下这种“破坏”的结果并不足以改变化学过程的性质，但是，对其产生的影响却应该加以考虑。

（二）绿色化学的特点

合成方法应被设计成能把反应过程中所用的所有材料尽可能多地转化到最终产物中。在整个20世纪，有机化学的课本中没有表现配平的方程式。所列的反应式很少，或根本不涉及在一个合成转化过程中所产生的副产物或共生产物。传统上，描述某一合成方法的有效性和效率的是产率。

所谓“产率”则完完全全地忽略了在合成反应中生成的任何不希望得到的产物，而这些产物却是合成产物中固有的一部分。有可能且常常会是这样一种情况：一个合成步骤，或甚至一个合成路线能够达到100%的产率，但其产生的废物不论在重量上还是在体积上都远远超过了所希望得到的产品。

这种情况之所以存在，是因为产率的计算是基于分子摩尔的概念，产率的数值是根据计算原料的摩尔数与产物的摩尔数之比而得出的。如果1摩尔的原料产生了1摩尔的所要产物，那么产率是100%，根据这样的计算，该合成方法被认为是十分有效的。

但是，这个转化过程在生成每1摩尔产物的同时，也可能会产生1摩尔或更多摩尔的废物；而且，所得废物的分子量可能会比所要产物的分子量大许多倍。因此，基于百分产率计算可以认为某个合成方法是“完全有效”的，但是，也许该方法会产物大量的废物，而在只用百分产率来计算时是体现不出这些废物的产生的。

正是因为存在着这样一个矛盾，原子经济的概念将被应用。原子经济性的评估时，人们需考察所有的反应物，并测量每一反应物被融合到最终产物中的程度。因此，如果所有的反应物都完完全全地参与到最终产物中，该合成路线被称之为100%的原子经济。我们可以对常规反应的类型做一个总的评估，以决定每一类反应的内在的原子经济性。

绿色化学的主要特点是原子经济性，即在获取新物质的化学过程中充分利用每个原料原子，实现“零排放”，使化学从“粗放型”向“集约型”转变，既充分利用资源，又不产生污染。原子经济性在数值上用E－因子、原子利用率等衡量。

对于每种化工产品而言，人们期望产品以外的任何下脚料都是无污染的废物。

二、绿色化学的主要内容

绿色化学研究的问题当然应该着眼于当前和发展未来并重，就目前来说，主要研究问题共有12个方面（又称12项原则）。

（1）从源头制止污染，而不是在末端治理污染。

（2）合成方法应具备“原子经济性”原则，即尽量使参加反应过程的原子都进入最终产物。

（3）在合成方法中尽量不使用和不产生对人类健康和环境有毒有害的物质。

（4）设计具有高使用效益、低环境毒性的化学产品。

（5）尽量不用溶剂等辅助物质，不得已使用时它们必须是无害的。

（6）生产过程应该在温和的温度和压力下进行，而且能耗最低。

（7）尽量采用可再生的原料，特别是用可再生物质代替石油和煤等矿物原料。

（8）尽量减少副产品。

（9）使用高选择性的催化剂。

（10）化学产品在使用完后能降解成无害的物质并且能进入自然生态循环。

（11）发展适时分析技术以便监控有害物质的形成。

（12）选择参加化学过程的物质，尽量减少发生意外事故的风险。

三、绿色化学理念与应用原则

随着科学的进步和发展，化学在保证和提高人类生活质量、保护自然环境以及增强化学工业的竞争力方面均起着关键作用。化学科学的研究成果和化学知识的应用，创造了无数的新产品进入每一个普通家庭的生活，使我们衣食住行各个方面都受益匪浅，更不用说化学药物对人们防病祛疾、延年益寿、更高质量地享受生活等方面起到的作用。但是另一方面，随着化学品的大量生产和广泛应用，给人类原本和谐的生态环境带来了黑臭的污水、讨厌的烟尘、难以处置的废物和各种各样的毒物……威胁着人们的健康，伤害着我们的地球。

（一）绿色化学是一种崭新的理念

所谓绿色化学是指设计没有或者只有尽可能小的环境负作用并且在技术上和经济上可行的化学品和化学过程。它是实现污染预防的基本的和重要的科学手段，包括许多化学领域，如合成、催化、工艺、分离和分析监测等。

绿色化学不同于环境化学。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。绿色化学的最大特点在于它是在始端就采用实现污染预防的科学手段，因而过程和终端均为零排放或零污染。它研究污染的根源——污染的本质在哪里，它不是去对终端或过程污染进行控制或进行处理。绿色化学关注在现今科技手段和条件下能降低对人类健康和环境有负面影响的各个方面和各种类型的化学过程。绿色化学主张在通过化学转换获取新物质的过程中充分利用每个原子，具有“原子经济性”，因此它既能够充分利用资源，又能够实现防止污染。

很明显，绿色化学要求负作用尽可能小，它是一种理念，是人们应该倾力追求的目标。

（二）绿色化学的应用原则

绿色化学有其应用的原则。概括起来，它们主要有以下12项：

1．防止环境污染；

2．提高原子经济性；

3．尽量减少化学合成中的有毒原料和有毒产物；

4．设计安全的化学品；

5．使用安全的溶剂和助剂；

6．提高能源经济性；

7．原料的再利用；

8．减少官能团的引入；

9．新型催化剂的开发；

10．产物的易降解性；

11．以降低环境污染为宗旨的现场实际分析；

12．防止生产事故的安全生产工艺。

这些原则主要体现了要对环境的友好和安全、能源的节约、生产的安全性等，它们对绿色化学而言是非常重要的。在实施化学生产和化学生产的过程中，应该充分考虑以上这些原则。

四、绿色化学的任务

（一）设计安全有效的目标分子

要从源头上消除污染，我们必须首先保证我们所需要的物质分子——目标分子是完全有效的，因此，绿色化学的一大关键任务就是设计安全有效的目标分子。

设计安全化学品就是利用分子结构与性能的关系和分子控制方法，获得最佳所需功能的分子，且分子的毒性最低。这可以从两方面加以解决：第一，进行分子设计，设计新的安全有效的目标分子；第二，对已有的有效但不安全的分子进行重新设计，使这类分子保留其已有的功效，消除掉不安全的性质，得到改进过的安全有效的分子。

（二）寻找安全有效的反应原料

目前化工生产中经常使用光气、甲醛、氢氰酸、丙烯腈为原料，毒性较大。以光气为例，它本身是一种军用毒气，但它又能与许多有机化合物发生反应，生产出许多种产品。在生产聚氨酯中不用光气作原料是绿色化学产生以来的有名的例子。

在用量极大和用处极广的泡沫塑料中，聚氨酯泡沫塑料占的比重最大。它还用于涂料、胶黏剂、合成纤维、合成橡胶。

生产聚氨酯的传统工艺是以胺和光气为原料合成异氰酸酯：

RNH₂＋COCl₂─→RNCO＋2HCl

再用RNCO与R′OH反应生成聚氨酯：

RNCO＋R′OH ─→RNHCO₂R′

这一工艺不仅要使用剧毒的光气为原料，而且产生有害的副产物氯化氢。

美国孟山都公司的新工艺用二氧化碳代替光气，CO₂与COCl₂的不同在于CO₂以氧原子代替了COCl₂中的氯原子，但又保持了分子中含有CO的成分，所以CO₂与胺反应，同样可以生成异氰酸酯：

RNH₂＋CO₂─→RNCO＋H₂O

进一步同样可制得聚氨酯：

RNCO＋R′OH ─→RNHCO₂R′

众所周知，二氧化碳是无毒气体，它对环境的害处是产生温室效应，但在生产聚氨酯工艺中，CO₂是被消耗的原料，不会产生温室效应，而且还为地球上消耗减少CO₂立了大功。同时，CO₂中的CO被消耗以后，剩下的氧与氢结合成水，更是一种无污染的副产物。

因此，孟山都公司为聚氨酯设计的新工艺可谓巧妙之极，而设计的指导思想则是绿色化学。为此，1996年，美国政府给孟山都公司颁发了美国总统绿色化学挑战奖。

比使用无毒无害原料更先进的方法是使用生物资源为原料。

在19世纪中叶，大多数工业有机化学品都来自植物提供的生物质，少数来自动物生物质。工业革命开始采用煤作为化工原料，在发明了从地下抽取石油的便宜方法后，石油就成了主要的化工原料，目前95%以上的有机化学品都是由石油加工而得到的。

石油和煤都是不可再生的资源，因此，从考虑人类长远的利益出发，应该考虑用可再生的生物资源来代替不可再生的资源。

生物资源主要指生物质，它主要有两类，即淀粉和木质纤维素。玉米、小麦、土豆等是淀粉类的代表。农业废料（如玉米秆、麦苗秆等）、森林废物和草类等是木质纤维素的代表。木质纤维素是地球上最丰富的生物质，每年以1640亿吨的速度在全世界不断再生，但至今人类只利用了其中的1．5%。

淀粉和木质纤维素都含有糖类聚合物，从中可提取出蔗糖和葡萄糖就可以作为化工原料，在酶的催化或细菌作用下生产我们需要的化学物质。己二酸生产工艺的改进可以看到利用生物质资源的前景。

己二酸是生产尼龙－66的原料，也用作增塑剂和润滑剂。己二酸的传统生产工艺是：由苯加氢制得环己烷，环己烷氧化得环己酮和环己醇，再用硝酸将环己酮和环己醇氧化得到己二酸：

这一传统工艺的缺点是，所采用的起始原料苯是一种已知的致癌物，副产物中有氮的氧化物。

经过改进以后的己二酸绿色合成则用环己烯与过氧化氢直接发生氧化反应：

这一过程不再使用苯，过氧化氢也是无毒的氧化剂，反应也不产生有毒副产物，这一反应很符合绿色化学要求，但美中不足的还要用化工产品环己烯为原料。

一个更安全清洁的己二酸生产途径又被设计出来了，那就是利用生物质葡萄糖生产己二酸的绿色工艺：

显然，这一新工艺是最理想的。