第2章_绿色化学(专业课)

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1、中国矿业大学化工学院,绿色化学,Green Chemistry,绪论,设计更加安全化学品的应用,绿色化学,绿色化学的应用,绿色化学原理,绿色化学发展趋势,设计安全无毒化学 品的基本原理和方法,绿色化学方法,第2章 绿色化学,2.1 什么是绿色化学 2.2 化学反应的原子经济性 2.3 原子经济性与环境效益 2.4 提高原子经济性的基本途径 2.5 绿色化学的任务,第2章 绿色化学,2.1 什么是绿色化学,2.1.1 定义,绿色化学又称环境无害化学（Environmentally Benign Chemistry）、环境友好化学（Environmentally Friendly Chemistr

2、y）、清洁化学（Clean Chemistry）。绿色化学即是用化学的原理、技术和方法去减少或消除那些对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂、产物、副产物等的使用和产生。,在绿色化学基础上发展的技术称为绿色技术（Green Technology）或清洁技术（Clean Technology）、环境友好技术（ Environmentally Friendly Technology ）。理想的绿色技术是采用具有一定转化率的高选择性化学反应来生产目的产品，不生成或很少生成副产物或废物，实现或接近废物的“零排放”；工艺过程使用无害的原料、溶剂和催化剂；生成环境友好产品。,第2章

3、绿色化学,原料的绿色化 无毒、无害原料 可再生资源为原料,化学反应的绿色化 “原子经济”反应 提高反应选择性,产品绿色化,催化剂的绿色化 无毒无害催化剂,溶剂的绿色化 无毒无害溶剂,第2章 绿色化学,2.1.2 特点,从科学观点看，绿色化学是对传统化学思维方式的创新和发展； 从经济观点看，绿色化学为我们提供合理利用资源和能源、降低 生产成本、符合经济持续发展的原理和方法； 从环境观点看，绿色化学是从源头上消除污染，保护环境的新科 学和新技术方法。,绿色化学与传统化学的区别 绿色化学与环境化学的区别 绿色化学与环境治理的区别,第2章 绿色化学,2.1.3 研究的中心问题,绿色化学研究的中心问题是

4、使化学反应及其产物具有以下特点： 采用无毒、无害的原料； 在无毒无害的反应条件(催化剂、溶剂)下进行； 具有“原子经济性”，即反应具有高选择性，极少副产品，甚至实现“零排放”； 产品应是环境友好的。,第2章 绿色化学,2.1.4 研究重点,目前绿色化学的研究重点是 设计或重新设计对人类健康和环境更安全的化合物，这是绿色化学的关键部分； 探求新的、更安全的、对环境更友好的化学合成路线和生产工艺，这可从研究、变换基本原料和起始化合物以及引人新试剂人手； 改善化学反应条件、降低对人类健康和环境的危害，减少废弃物的生产和排放。,第2章 绿色化学,2.1.5 核心,绿色化学的核心是利用化学知识和技术预防

5、污染，从源头消除污染。 发达国家对环境的治理，已开始从治标(从末端治理污染)转向治本(开 发清洁工艺技术，减少污染源头，生产环境友好产品)。从节约资源和防止 污染的观点来重新审视和改革现有的生产工艺和流程，并发展可持续发展 的科学技术。,第2章 绿色化学,2.1.6 目标,绿色化学化工的目标是寻找充分利用原材料和能源的、在各个环节中都 洁净和无污染的反应途径和工艺。 对于生产过程，绿色化学包括节约原材料和能源，淘汰有毒原材 料，在生产过程排放废物之前减少废物的数量和毒性； 对于产品，绿色化学减少从原材料的提炼到产品的最终处置的全 周期的不利影响。,第2章 绿色化学,2.1.7 可行性,近几年，

6、绿色化学这一“预防化学污染的新观点”逐步被人们认识、接受。 美国“总统绿色化学挑战奖” 1995年3月16日，美国总统克林顿宣布设立。旨在奖励在研究、开发 和应用绿色化学技术方面获得杰出成就的个人、集体或组织。共有5个奖项： 学术奖、中小企业奖、优化合成线路奖、优化合成条件奖和设计更安全化 学品奖。,第2章 绿色化学,日本的“新阳光计划” 20世纪中叶，日本发生了举世闻名的东京光化学烟雾、水俣病、痛骨 病等环境污染事件，给灾区人民带来了深重的灾难，引起了日本政府的高 度重视。 进入20世纪90年代，日本实施 “新阳光计划”, 旨在防止全球气候变 暖，重建绿色地球，大力加强节约资源、能源以及环境

7、保护技术的研究开 发。并指出绿色化学就是化学与可持续发展相结合。,第2章 绿色化学,绿色化学在欧洲 德国 六十年代，经济高速发展，环境污染严重。如莱茵河鱼虾大量死亡。 八十年代，实施环境保护政策。 九十年代，联邦政府通过 “为环境而研究”计划。内容包括区域性和全球性 环境工程、实施可持续发展的经济及进行环境教育。,第2章 绿色化学, 英国 2000年设立英国绿色化学奖，奖励那些在绿色化学研究中做出突出成 绩的学者、公司和中小企业。 荷兰 利用税法条款等方法推进清洁生产技术的开发和应用，对采用革新性 的清洁生产或污染控制技术的企业，其投资可按 1 年折旧（其它投资的折 旧期通常为10年）。,第2

8、章 绿色化学,2.1.8 绿色化学在中国, 1995年，中国科学院化学部确定了绿色化学与技术的院士咨询课题。 1997年，以“可持续发展问题对科学的挑战绿色化学”为主题的香山科 学会议第72次学术讨论会在北京召开。同年，国家重点基础研究发展规划（973计划）将绿色化学作为重点支持方向之一。科学家们建议国家把绿色化学列入重点支持的重大基础研究领域，并根据我国已有的基础，确定如下具体目标：,第2章 绿色化学, 对我国的环境至关重要的一些工业，如煤炭、石油、化工、造纸、制革、酿造和制药中的绿色化学开展基础研究； 在“原子经济性”和可持续发展的基础上研究合成化学和催化化学的基础问题，即绿色合成和绿色催

9、化等； 综合利用现代生物技术和化学化工技术的绿色生化工程，如生物煤炭脱硫、微生物造纸、新生物煤炭脱硫和新生物质能源等； 研究如何用类似于生物分子的自复制和自组装过程生产一般分子 (特别是无机小分子)和特殊功能的纳米粒子。,第2章 绿色化学, 1999年，第16次“21世纪核心科学问题论坛绿色化学基本科学问题论坛”在北京九华山庄举行。来自化学、生命、材料等领域的近40名专家出席了会议，从科学发展和国家长远需求的高度，对绿色化学的基本科学问题进行了充分的研讨，提出了近期研究工作的重点： 绿色合成技术、方法学和过程的研究； 可再生资源的利用与转化中基本科学问题； 绿色化学在矿物资源高效利用中的关键科

10、学问题。,第2章 绿色化学, 举行国际绿色化学高级研讨会 第一届：1998.5 合肥（中国科学技术大学） 第二届：1999.5 成都（四川大学） 第三届：2000.5 广州 (广州化学研究所 ) 第四届：2001.5 济南（山东大学） 第五届：2002.5 合肥（中国科学技术大学） 第六届：2003.10 成都（四川大学） 第七届：2005.5 珠海,第2章 绿色化学,2.2 化学反应的原子经济性,2.2.1 概念,1991年，美国Stanford大学的B.M.Trost教授首次提出了反应的“原子经 济性”（Atom Economy）的概念。他认为高效的化学反应应最大限度地利用 原料分子的每一

11、个原子，使之结合成目标产物。 具体地说，假如C是人们所要合成的化合物，若以A和B为起始原料， 既有C生成又有D生成，且许多情况下D是对环境有害的，即使生成的副产物 D是无害的，那么D这一部分的原子也是被浪费的，而且形成的废物对环境 造成的负荷。,第2章 绿色化学,A B C D A B C ,产物,废物或副产物,废物为零,Barry Trost：原子经济性(Atom Economy)概念,第2章 绿色化学,所谓原子经济性反应即使用E和F作为起始原料，整个反应结束后只生 成C，E和F的原子得到了100利用，亦即没有任何副产物生成。 EFC 上述原子经济性的概念可用原子利用率来表述如下： 原子利用

12、率（%） 100,第2章 绿色化学,例：用乙烯合成环氧乙烷,采用乙烯催化环氧化方法仅需一步反应，原子利用率达到100%，产率99%。,第2章 绿色化学,化工生产中常用的产率或收率则是用下式表示： 产率或收率（） 100 原子利用率和产率的区别,第2章 绿色化学,原子利用率达到100的反应有两个最大的特点： 最大限度地利用了反应原料，最大限度地节约了资源； 最大限度地减少了废物排放（因达到了零废物排放），因而最大限度地减少了环境污染，或者说从源头上消除了有化学反应副产物引起地污染。,第2章 绿色化学,? 如何设计 原子经济反应,A + B,C D,waste,Target molecule,第2

13、章 绿色化学,E + F,C,Target product,第2章 绿色化学,Atom economy: 100% No by-product No pollution The consumption of resource is minimized。,3 moles target molecules/1mole by-product,Waste resources and the by-product is a kind of pollutant,3ROH + PX3 3RX + H3PO4,RX + NaX RX + NaX,RCH=CH2 + HX RX,第2章 绿色化学,小常识,提倡和

14、实施原子经济化的先驱侯得榜 20世纪中叶，国内外制碱的主要工艺是索尔维法。它是以食盐.氨水和二氧化碳做原料，反应后生成碳酸氢钠，加热后得到产品纯碱（碳酸钠），其主要操作是：（1）在氨化的饱和氯化钠溶液中通入二氧化碳制得碳酸氢钠；（2）再把碳酸氢钠焙烧制得碳酸钠，通入的二氧化碳可以循环使用；（3）在析出碳酸氢钠的母液中加入氧化钙，氨气可以循环使用。原料中的钠、氮、碳、氧等元素得到利用，氯则被转化为氯化钙，氯化钙的用处不大，成为难处理的废弃物，因此食盐利用率不高是索尔维制碱法的一大缺点。 抗日战争爆发后，创办永利碱厂的民族资本家范旭东不向日军投降，将永利碱厂从南京迁往四川大后方自贡。当时，中国内地

15、食盐短缺，自贡生产的井盐要供应抗日大后方的各种需要，因此盐价奇贵。 为了降低生产成本，侯德榜设计和采用了制碱新工艺，其主要产品仍是碳酸钠，但他对提取碳酸钠之后剩下的母液进行冷冻，母液中又析出一种化学肥料-氯化铵。该工艺使食盐的利用率达到96，后来，侯德榜这一新工艺被称为侯氏制碱法。,第2章 绿色化学,2.2.2 几种常见反应的原子经济性,化合反应 3H2 + N2 = 2NH3 加成反应 加成反应一般分为亲电加成、亲核加成、催化加氢和环加成等类型。 这类反应包括“水合”、“乙炔化”、“乙烯化”等，比如不饱和化合物与共轭双 键系化合物的1，4-加成反应、乙炔与含活性氢化合物及羰基化合物的加成反 应。此外，还包括三甲苯游离基与O2和I2、烷基卤化镁（Grignard试剂与羰 基化合物、卤化烷锌或二烷基锌与羰基化合物、醛或酮类与HCN、醛或酮类 与NH3、双键结构化合物与OsO4、乙烯酮与HA型活泼氢化合物等加成反应， 它们都是常用的有机反应，也属于原子经济反应。其通式为：ABC,第2章 绿色化学,CH2=CH2+HBr CH3CH2Br,第2章 绿色化学,重排反应 分子间结构互变或异构化的重排反应，是合成染料、合成药物中的重 要有机合成反应，也是理想的原子经济反应。 像这类结构互变或异构化的重排反应以人名来命名的就有30种