《綠色化學的任務》課件

第二章綠色化學的任務第一節(jié)

綠色化學的再認識第二節(jié)

大力發(fā)展綠色化學第三節(jié)

綠色化學的任務第四節(jié)

綠色化學十二原則第一節(jié)綠色化學的再認識綠色化學1.綠色化學的內(nèi)涵4.進一步認識綠色化學2.綠色化學是可實現(xiàn)的理想3.綠色化學與環(huán)境保護的差異

綠色化學的內(nèi)涵綠色化學是當今國際化學科學研究的前沿,是新興交叉學科。傳統(tǒng)的環(huán)保方法治標,綠色化學治本。綠色化學是一門從源頭上、從根本上減少或消除污染的化學。綠色化學的基本思想可應用于化學化工的所有領域。綠色化學的內(nèi)涵綠色化學的目標:化學過程不產(chǎn)生污染，即將污染消除于其產(chǎn)生之前，實現(xiàn)這一目標之后就不需要治理污染。因為其根本不產(chǎn)生污染，是一種從源頭上治理污染的方法，是一種治本的方法。綠色化學的內(nèi)涵綠色化學的研究內(nèi)容:致力于研究經(jīng)濟技術上可行的、對環(huán)境不產(chǎn)生污染的、對人類無害的化學品的設計、制造和使用；化學過程的設計和使用。綠色化學的內(nèi)涵綠色化學的定義:綠色化學就是利用化學原理和方法來減少或消除對人類健康、社區(qū)安全、生態(tài)環(huán)境有害的反應原料、催化劑、溶劑和試劑、產(chǎn)物、副產(chǎn)物的新興學科,是一門從源頭上、從根本上減少或消除污染的化學。

綠色化學是可實現(xiàn)的理想綠色化學的目標就是追求完美。合成效率對綠色化學十分重要。物質(zhì)過程對人類、對環(huán)境的危害很難定量。我們可以在特定條件下采用對我們最有利的物質(zhì)和方法。

綠色化學與環(huán)境保護的差異環(huán)境保護著重于處理已有的污染物。綠色化學利用化學來預防污染,不讓污染產(chǎn)生。

進一步認識綠色化學從科學觀點看,綠色化學是化學基礎內(nèi)容的更新。從經(jīng)濟觀點看,綠色化學提供合理利用資源和能源、降低生產(chǎn)成本、符合經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的原理和方法。從環(huán)境觀點看,綠色化學提供從源頭上消除污染的原理和方法。11

第二節(jié)大力發(fā)展綠色化學人類社會可持續(xù)發(fā)展的必然要求科學技術和經(jīng)濟發(fā)展的需要大力發(fā)展綠色化學是人類社會可持續(xù)發(fā)展的必然要求化學工業(yè)造成的危害人類別無選擇綠色化學是解決問題的唯一方案

科學技術和經(jīng)濟發(fā)展的需要化學工業(yè)在整個工業(yè)體系中占有很大的比例?；瘜W工業(yè)公司一方面要想方設法降低成本,一方面又要為治理污染物而增大成本。綠色化學能夠降低化學品生產(chǎn)的顯性成本和隱性成本。第三節(jié)

綠色化學的任務設計安全有效的目標分子尋找安全有效的反應原料尋找安全有效的合成路線尋找新的轉(zhuǎn)化方法尋找安全有效的反應條件17一:

設計安全有效的目標分子1983年，華盛頓，專題討論會設計安全化學品就是利用分子結(jié)構(gòu)與性能的關系和分子控制方法，獲得最佳所需功能的分子，且分子的毒性最低設計安全有效化學品包括兩個方面的內(nèi)容:新的安全有效化學品的設計對已有的有效但不安全的分子進行重新設計實驗臺+計算機+通風櫥----三位一體二:尋找安全有效的反應原料1:用無毒無害原料取代有毒有害原料例一(CO2替代光氣制聚氨酯）go例二（消除氫氰酸的使用）go例三（改變原料生產(chǎn)己二酸）go例一用二氧化碳代替有毒有害的光氣生產(chǎn)聚氨酯傳統(tǒng)工藝:由胺與光氣合成異氰酸酯，再合成聚氨酯RNH2+COCl2→RNCO+2HCl→RNHCO2R1新工藝:用二氧化碳代替光氣與胺反應生成異氰酸酯RNH2+CO2→RNCO+H2O→RNHCO2R123例二2.改變工藝,消除有毒有害氫氰酸的使用亞氨基二乙酸二鈉，過去用氨、甲醛和氫氰酸為原料分兩步合成:NH3+2CH2O+2HCN—①→NCCH2NHCH2CN—②2NaOH

→

NaO2CCH2NHCH2CO2Na+NH3新方法為:26例三3.改變原料,生產(chǎn)己二酸傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝是:4.新方法：不需要使用溶劑,不再使用有毒害的原料苯,過氧化氫氧化劑的腐蝕性也遠比硝酸小,同時不產(chǎn)生其它其害污染物更好方法:不再采用有毒害的苯作原料,采用了可再生的生物資源葡萄糖,拓展了己二酸合成的原料路線。5.以可再生資源為原料150年前，工業(yè)有機化學品來自于植物提供的生物質(zhì)（biomass)--是指可再生和可循環(huán)的有機物質(zhì).煤、石油、天然氣、生物質(zhì)作原料的研究受到人們的普遍重視生物質(zhì):淀粉+木質(zhì)素木質(zhì)素:1640億噸/年利用率?1.5%生物質(zhì)在有效利用之前需要降解可再生資源為原料存在的問題科學問題:

木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)研究木質(zhì)素的定向降解研究已取得的進展:TexasA&M大學的Haltzapple教授生物質(zhì)?動物飼料+工業(yè)化學品+燃料

Cross:

農(nóng)業(yè)廢料聚多糖類物質(zhì)?可完全降解的聚合物四川大學、中國科大、山東大學、中科院化學所三:尋找安全有效的合成路線理想的合成路線理想的合成路線是采用便宜的、易得的反應原料,經(jīng)過簡單的、安全的、環(huán)境可接受的和資源有效利用的操作,快速和高產(chǎn)率地得到目標分子。合成路線對過程的友好與否十分重要化學反應原子經(jīng)濟性例（硝基苯合成對苯二胺）go計算機輔助設計合成路線more

由硝基苯合成對苯二胺可選擇四條合成路線第1條路線:總包反應為:反應物中原子的質(zhì)量之和為1062,而目標產(chǎn)物僅為108,即生產(chǎn)108克對苯二胺就要生成954克廢物,反應的原子利用率僅為10%。第2條路線:總包反應為:

反應物中原子的質(zhì)量之和為300,目標產(chǎn)物僅為108,即每生產(chǎn)108克對苯二胺就會有192克廢物生成,反應的原子利用率為36%。第3條路線:總包反應為:原料中原子的總質(zhì)量為543,而目標產(chǎn)物的質(zhì)量僅為108,即每生產(chǎn)108克對苯二氨就會產(chǎn)生435克廢物,反應的原子利用率為20%。第4條路線:總包反應為:原料中原子的總質(zhì)量為162,目標產(chǎn)物的質(zhì)量為108,即生產(chǎn)108克對氨基苯胺要生成54克廢物水,反應的原子利用率為67%。綜合分析在合成路線（1）、（2）中,由于要保護-NH2在硝化過程中不被氧化,所以與合成路線（3）、（4）相比,每生成1摩爾的目標產(chǎn)物,就要多使用1摩爾的醋酐、多生成2摩爾的醋酸廢物。從原子利用率的角度看,路線（4）的原子利用率明顯高于其他路線。計算機輔助合成路線設計可能出現(xiàn)的選擇很多，人難以選擇:如:一個5步反應，每步30種方法，則有:?305～2400萬條路線建立一個盡可能全的化學反應的資料庫提出我們的要求讓計算機找出能生產(chǎn)目標產(chǎn)物的反應及所需原料以上一步的原料為目標產(chǎn)物再做搜尋,找出該目標產(chǎn)物的合成反應及原料…………直到得出我們預定的原料比較各條可能反應路線的經(jīng)濟技術性及環(huán)境效應,從中選出最佳途徑四:尋找新的轉(zhuǎn)化方法催化等離子體方法more電化學方法more光化學及其他輻射方法more由二氧化碳和甲烷合成燃料油，傳統(tǒng)的思維方式是:CO2+CH42CO+2H2燃料油→→鎳催化劑FT合成天津大學劉昌俊等[26]采用催化等離子體方法實現(xiàn)了一步直接合成燃料油.采用電化學過程可以消除有毒有害原料的使用，還可以使反應在常溫常壓下進行:傳統(tǒng)的二惡烷、氧硫雜環(huán)已烷的開環(huán)反應要用重金屬作催化劑,在一定試劑作用下才能進行,而Epling等[3]則可見光作為“反應試劑”直接使保護基團開環(huán),避免了使用重金屬造成的環(huán)境污染

五:尋找安全有效的反應條件

尋找安全有效的催化劑活性組分的負載化more

用固體酸代替液體酸more例一例二尋找安全有效的反應介質(zhì)采用超臨界流體作為反應介質(zhì)more水作溶劑的兩相催化法more例一（丙烯的氫甲?；?:活性組分的負載化傳統(tǒng)的Friedel-Crafts反應:氫氟酸、硫酸、三氯化鋁、三氟化硼缺點:（i）必須在無水條件下操作，遇水就會釋放出3摩爾的氯化氫；（ii）有腐蝕性，難于操作；（iii）在烷基化反應中，由于會生成多烷基化產(chǎn)物和其他異構(gòu)化副產(chǎn)物，故一烷基化產(chǎn)物的選擇性不高；1:活性組分的負載化（iv）在?；；?、苯甲?；?、磺?；┓磻?由于產(chǎn)物分子的復雜性,需要大于化學計量的三氯化鋁；（v）最后,產(chǎn)物復活物的分解需要加入水,從而釋放出大量的氯化氫,也會產(chǎn)生不純有機氯化物。1:活性組分的負載化把AlCl3負載于蒙脫土上后,構(gòu)成負載型催化劑,如K10-AlCl3,用于芳香族化合物的烷基化反應,不但具有與傳統(tǒng)AlCl3同樣高的催化活性,且其單烷基化選擇性還高于AlCl3及其他傳統(tǒng)催化劑。把ZnCl2負載于蒙脫土上,得到一種新型的傅氏反應催化劑,已構(gòu)成了一種新的工業(yè)催化劑的基礎[27]。2:用固體酸代替液體酸利用酸性白土、混合氯化物、分子篩等代替液體酸:（1）:在一定程度上緩解或徹底解決了均相中存在的不可避免的問題（2）:由于固體酸可在700-800K溫度范圍類使用，大大擴展了酸催化反應的范圍例一:傅氏?；磻?傳統(tǒng)方法:三氯化鋁，1/3噸用該催化劑取代傳統(tǒng)AlCl3,催化劑的用量降為原來的十分之一,廢棄物HCl的排放量減少了3/4,而產(chǎn)率比傳統(tǒng)方法有較大提高,增大到70%,且產(chǎn)物選擇性增大,鄰位產(chǎn)物量極少例二:苯與乙烯發(fā)生烷基化反應生成乙苯傳統(tǒng)方法：AlCl3.BF3.HF作催化劑設備的腐蝕嚴重，操作條件苛刻，收率低，脫HCl、RCl困難，催化劑與反應物產(chǎn)物難于分離，有廢水需要處理，HF有毒滲磷ZSM-5分子篩克服了上述缺點傳統(tǒng)方法:Co作催化劑，在高壓下反應采用Rh和Pd的水溶性配合物作催化劑1:采用超臨界流體作為反應介質(zhì)超臨界流體的特點:價格低廉、無毒無害且其性質(zhì)具有可調(diào)節(jié)性。由于超臨界流體在不同的超臨界區(qū)域內(nèi)有不同的流體性質(zhì)，因此，可以通過控制超臨界流體的超臨界條件來調(diào)整其性能，以滿足化學反應所需要的介質(zhì)條件1:采用超臨界流體作為反應介質(zhì)超臨界二氧化碳:Tanko烷基取代的芳香族化合物的溴代反應，收率和選擇性高;廣州化學所:二氧化碳即作溶劑又作反應試劑的烯烴羰基化反應研究;超臨界水超臨界水+二氧化碳2:水作溶劑的兩相催化法利用水溶性均相絡合催化劑,催化劑在水中有很大溶解度,它和有機反應物組成兩相催化體系,反應在有機相和水相的界面上進行利用催化劑中心原子配體性質(zhì)、表面活性劑等,使體系在兩相界面上形成膠束,以增大兩相接觸界面,并增大界面上反應物的局部濃度利用膠束的的結(jié)構(gòu)效應還可控制產(chǎn)物的立體選擇性。2:水作溶劑的兩相催化法這樣,不僅反應條件溫和、活性高、選擇性好,反應之后有機相與水相也極易分離,同時,用水作溶劑也避免了有機溶劑對環(huán)境的污染。66第四節(jié)

綠色化學十二原則

1357911246810121.不讓廢物產(chǎn)生而不是讓其生成后再處理正常成本:原料和試劑的費用化學物質(zhì)的儲存和處理費用十分可觀美國的大化學:研發(fā)經(jīng)費≈環(huán)境保護和安全處理危險物品的費用一直呈上升趨勢是否需要處理化學物品的標準是廢物產(chǎn)生是否造成了“破壞”最常見的廢物之一就是未轉(zhuǎn)化的原料和試劑可能情況下，盡可能把污染消除在源頭2.最有效地設計化學反應和過程，最大限度地提高原子經(jīng)濟性原子經(jīng)濟性(atomeconomy)—指化學反應中反應物的原子進入產(chǎn)物中的多少.原子經(jīng)濟反應重排反應加成反應非原子經(jīng)濟反應取代反應消去反應3.盡量不使用、不產(chǎn)生對人的健康和環(huán)境有毒有害的物質(zhì)。綠色化學要盡可能減少危險品的使用避開被危險品傷害的方法減少與危險品的接觸消除危險品的使用必須考慮危險品的實際原因有多層:不增加費用，不可能控制與危險品的接觸一旦控制失敗，人就有極大危險目前有足夠的能力控制別無選擇，必須這樣做4.盡可能有效地設計功效卓越而無毒性、無危險性的化學品設計更加安全的化學品設計更加安全的化學品是可能的設計更加安全的化學品有多種方法已知毒性機理,就可改變和修飾該物質(zhì)的結(jié)構(gòu)不知毒性機理,要設法除去分子中的“毒效”基團減少分子的“生物藥效性”5.盡可能不使用輔助物質(zhì)，即使使用，也要采用無危險性的物質(zhì)作為輔助物質(zhì)輔助物質(zhì)面臨的困境輔助物質(zhì)的普遍使用溶劑問題溶劑對環(huán)境的影響消除輔助物質(zhì)危害的方法超臨界流體（Supercriticalfluids）非溶劑化（Solventless）水作溶劑固定化6.考慮環(huán)境和經(jīng)濟效益，并使能耗最低化學工業(yè)中能量的普遍使用預反應過程使用能量用熱能加速化學反應用冷卻方法控制反應分離需要的能量新的能量利用方式微波聲納光化學反應和輻射促進化學反應優(yōu)化反應條件,