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绿色化学原理和应用
在这即将过去的20世纪里，化学真正成为了一门最有用的科学。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去疾、延年益寿、更高质量地创造和享受生活的神奇功效了。另一方面，随着化学品的大量生产和广泛应用，给人类本来绿色平和的生态环境带来了黑色的污水、黄色的烟尘、五颜六色的废渣和看不见的无色毒物⋯ ⋯ 威胁人们的健康、伤害哺育我们生存的地球母亲。人类就在发展生产、提高生活水平与保护环境这一矛盾中奋斗，以求得最佳平衡，不断绵延、前进。
一、概念
“绿色化学”由美国化学会提出，目前得到世界广泛的响应。其核心是利用化学原理从源头上减少和消除工业生产对环境的污染；反应物的原子全部转化为期望的最终产物。按照美国《绿色化学》杂志的定义,绿色化学是指:在制造和应用化学产品时应有效利用(最好可再生)原料,消除废物和避免使用有毒的和危险的试剂和溶剂。而今天的绿色化学是指能够保护环境的化学技术.它可通过使用自然能源,避免给环境造成负担、避免排放有害物质.利用太阳能为目的的光触媒和氢能源的制造和储藏技术的开发,并考虑节能、节省资源、减少废弃物排放量。
绿色化学又称“环境无害化学”、“环境友好化学”、“清洁化学”，绿色化学是近十年才产生和发展起来的，是一个 “新化学婴儿”。它涉及有机合成、催化、生物化学、分析化学等学科,内容广泛。绿色化学的最大特点是在始端就采用预防污染的科学手段,因而过程和终端均为零排放或零污染。世界上很多国家已把“化学的绿色化”作为新世纪化学进展的主要方向之一。
二、发展背景及主要特点
化学在为人类创造财富的同时，给人类也带来了危难。而每一门科学的发展史上都充满着探索与进步，由于科学中的不确定性，化学家在研究过程中不可避免地会合成出未知性质的化合物，只有通过经过长期应用和研究才能熟知其性质，这时新物质可能已经对环境或人类生活造成了影响。
传统的化学工业给环境带来的污染已十分严重，目前全世界每年产生的有害废物达3亿吨～4亿吨，给环境造成危害，并威胁着人类的生存。严峻的现实使得各国必须寻找一条不破坏环境，不危害人类生存的可持续发展的道路。化学工业能否生产出对环境无害的化学品？甚至开发出不产生废物的工艺？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年后在，“绿色化学”由美国化学会（ACS）提出并成为美国环保署（EPA）的中心口号，并立即得到了全世界的积极响应。
绿色化学又称环境友好化学，它的主要特点是：1.充分利用资源和能源，采用无毒、无害的原料；2.在无毒、无害的条件下进行反应，以减少废物向环境排放；3.提高原子的利用率，力图使所有作为原料的原子都被产品所消纳，实现“零排放”；4.生产出有利于环境保护、社区安全和人体健康的环境友好的产品。
三、绿色化学的重要性
传统的化学工业给环境带来的污染已十分严重，目前全世界每年产生的有害废物达3亿吨～4亿吨，给环境造成危害，并威胁着人类的生存。化学工业能否生产 出对环境无害的化学品？甚至开发出不产生废物的工艺？有识之士提出了绿色化学的号召，并立即得到了全世界的积极响应。绿色化学的核心就是要利用化学原理从源头消除污染。绿色化学给化学家提出了一项新的挑战，国际上对此很重视。1996年，美国设立了“绿色化学挑战奖”，以表彰那些在绿色化学领域中做出杰出成就的企业和科学家。绿色化学将使化学工业改变面貌，为子孙后代造福。
迄今为止,化学工业的绝大多数工艺都是20多年前开发的，当时的加工费用主要包括原材料、能耗和劳动力的费用。近年来，由于化学工业向大气、水和土壤等排放了大量有毒、有害的物质。以1993年为例，美国仅按365种有毒物质排放估算。化学工业的排放量为30亿磅。因此，加工费用又增加了废物控制、处理和 埋放。环保监测、达标，事故责任赔偿等费用。1992年，美国化学工业用于环保的费用为1150亿美元，清理已污染地区花去7000亿美元。1996年美国Dupont公司的化学 品销售总额为180亿美元。环保费用为10亿美元。所以。从环保、经济和社会的要求看。化学工业不能再承担使用和产生有毒。有害物质的费用。需要大力研究与开发从 源头上减少和消除污染的绿色化学。
1990年美国颁布了污染防止法案。将污染防止确立为美国的国策。所谓污染防止就是使得废物不再产生。不再有废物处理的问题，绿色化学正是实 现污染防止的基础和重要工具。1995年4月美国副总统Gore宣布了国家环境技术战略。其目标为:至2020年地球日时。将废弃物减少40-50%,每套装置消耗原材料减少20一 25%。1996年美国设立了总统绿色化学挑战奖。这些政府行为都极大的促进了绿色化学的蓬勃发展。另外。日本也制定了新阳光计划。在环境技术的研究与开发领域。确 定了环境无害制造技术、减少环境污染技术和二氧化碳固定与利用技术等绿色化学的内容。总之，绿色化学的研究已成为国外企业、政府和学术界的重要研究与开发万向。这对我国既是严峻的挑战，也是难得的发展机遇。
四、绿色化学实现途径（1）强化绿色化学意识
绿色化学是用化学去预防污染，是设计研究没有或仅有尽可能小的环境负作用的、并在技术上经济上可行的化学品和化学过程。它是在始端就采用污染预防的科学手段，使过程和终端均有零排放或零污染。从根本上区别于那些通过“三废”处理与利用来治理污染的化学方法，最大限度的追求“原子经济性”。绿色化学不同于传统的化学，它需将绿色化学思想贯穿于化学始终，使化学在设计、合成、分析等每一个环节都应与环境的相容无害。
(2)快速有效的筛选
在化合物的筛选过程中，可以应用组合化学技术，对不同的分子结构单元进行组合合成，得到成千上万个产物以满足下一步高通量筛选系统(HTS)的需要，目前通过改进的组合化学已可以得到各纯度较高的单一化合物供HTS筛选之用。首先建立一个已知的有机合成反应尽可能全的资料库，然后再确定目标产物后，第一步找出一切可以产生目标产物的反应；第二步把这些反应的原料作为中间目标产物找出一切可产生它们的反应，依次类推下去，直到得出一些反应路线正好使用我们预定的原料。在搜索过程中，计算机按我们制定的评估方法自动地比较可能的反应途径，随时排除不适合的，以便最终找到廉价、物美、不浪费资源、不污染环境的最佳途径。所以，将组合化学技术和计算机辅助设计技术应用到化学合成中，是一种经济、快速的策略，为绿色化学的实现提供了极大的可能性。
(3)开发绿色反应，提高原子利用率
在化学合成特别是有机合成中，减少废物的关键是提高选择性问题，即选择最佳反应途径，使反应物原子尽可能多地转化为产物原子，最大限度地减少副产物，才会真正减少废物的生成。对于大宗基本有机原料的生产来说，选择原子经济反应十分重要。Sd-ChemieInc.公司最近成功地开发了一个新的合成路线：固体氧化物催化剂合成的无废水工艺，事实证明其能够达到零废水排放、零硝酸盐排放，并且没有或很少NOx释放。同时，新合成路线大大减少了水和能量的消耗。由此可见，对于已在工业上应用的原子经济反应，也还需要从环境保护和技术经济等方面继续研究并加以改进。
(4)采用无毒无害的原料
为使制得的中间体具有进一步转化所需的官能团和反应性，在现有化工生产中仍使用剧毒的光气和氢氰酸等作为原料。为了人类健康和社区安全，需要用无毒无害的原料代替它们来生产所需的化工产品。在代替剧毒氢氰酸原料方面，Monsanto公司从无毒无害的二乙醇胺原料出发，经过催化脱氢，开发了安全生产氨基二乙酸钠的新工艺，改变了过去的以氨、甲醛和氢氰酸为原料的二步合成路线，避免了使用剧毒氢氰酸原料。Flexsys Americal.P.在生产一种橡胶防降解剂化学品家族的关键中间体4-ADPA过程中，开发了一个新的环境友好路线——使用碱性促进剂实现氢对芳环的亲核取代反应，替代了传统的氯化反应，不仅消除了大量剧毒氯气的储存、使用和处理，也大大减少了废物的排放。
(5)使用无毒无害的催化剂
催化剂的合理选择和应用是化工过程中最关键的技术之一。使用新的反应原料就必须新的催化剂来活化，传统的催化剂应进行改进，使其选择性、与反应体系的相容性清洁性都进一步提高。现在以邻苯二酚生产方法为例：新的生产工艺采用酶E.Coli作催化剂，它能使葡萄糖活化，定向地转化为邻苯二酚。这种新工艺避免了风险原料和试剂的使用也不产生副产品或废弃物。由于催化剂在绿色化学中有重要地位，传统工艺的改造需要催化剂，新的工艺同样需要新催化剂，因此，如何设计高效无害催化剂也就成了绿色化学研究的重要内容之一。当前设计和开发的新型催化剂有以下几种类型：分子氧气化催化剂、新型分子筛催化剂。
(6)使用无毒无害的溶剂
水是无毒无害最廉价的催化剂，但对有机物溶解能力差，不适合作有机化工的溶剂。而有机溶剂本身都具有毒性，许多都是致癌物质，还有很强的挥发性，造成严重的污染。近年来，研究无毒无害溶剂的工作正在开展，其中最活跃的是开发超临界流体(SCF)，超临界流体是指处于超临界温度及超临界压力下的流体，是一种介与气态与液态之间的流体状态，其密度接近于液体(比气体约大3个数量级)，而粘度接近气态(扩散系数比液体大100倍左右)。超临界流体CO2用作酸调节剂和惰性气体，在多烯催化氧化反应和多烯双键在酸性条件下的保护反应中有重要的应用。CO2调节β-胡萝卜素催化氧化反应体系酸性，合成角黄素，同时作为惰性气体，能够有效的保护原料和产物中的多烯双键，为多烯氧化和双键保护开辟了新的途径；CO2代替有机酸应用于氯醇化反应，是良好的酸碱调节剂，无毒、无污染，对环境友好，没有危险，原料充足，操作容易控制，这一研究结论为相关化学工业老产品新工艺改造提供了一条可行的途径。
(7)利用可再生的资源合成化学品
生物质是可再生性资源，利用生物质代替当前广泛使用的矿物质资源可大大减轻对资源和环境的压力，是保护环境的一个长远的发展方向。Frost报道以葡萄糖为原料，通过酶反应可制得乙二酸、邻苯二酚和对苯二酚等。尤其是不需要从传统的苯酐始采制运作为尼龙原料己二酸取得了显著进展。由于苯是己知的治癌物质，以经济和技术上可行的方式，从合成大量的有机原料中取除苯是具有竞争力的绿色化学目标。
(8)开发和生产绿色产品
绿色产品，或指环境友好产品，是指产品在使用过程中和使用后不会危害生态环境和人体健康，产品具有合理的使用功能及使用寿命，产品易于回收、利用和再生，报废后易于处置，在环境条件下易于降解。如为日常生活使用生产的包装材料，可以进行再利用，目前大量使用的聚苯乙烯发泡塑料快餐盒，使用以后成为垃圾，在自然条件下，需数百年方能降解，对环境带来严重的影响。为了加速它的自然降解，我们生产时可以在其中加入光敏剂、化学助剂等，使其在使用后几个月内即分解成无害物质。
六、结束语
开发和应用绿色化学工艺，已成为现代化学工业的发展趋势和前沿技术，是实现可持续发展的关键。曾为人类文明做出过不可磨灭贡献的有机化学化工，在21世纪，依然面临着新的机遇和挑战。有机化学应该发展“理想的”合成方法，即强调实用的，环境友好的，资源可持续利用的，它从简单易得的原料出发，在温和的条件下经过简单的步骤，快速、高选择性地转化为目标分子。这就需要化学家从理念、原理、方法等方面进行改革和创新，原子经济性、手性合成、环境友好的“洁净”的反应介质等绿色化学原理对有机化学化工的发展将有更重要的指导意义。而绿色化学有待在理论、实践领域中进行更深入的研究发展，其发展必然会推动人类社会的进步，相信随着科学的进步和人们绿色意识的提高，人类赖以生存的地球环境会变得更加美好。
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