绿色化学-高中化学校本课程ppt课件.ppt

绿色化学 有关的教材 专著和文献资料 绿色化学化工导论 李德华编著科学出版社2005 绿色化学理论与应用 PaulT Anastas 李朝军译科学出版社2002 绿色化学化工实用技术 贡长生编化工出版社2002 绿色化学导论 AlbertS Matlack 汪志勇等译 中国石化出版社 2006 PollutionPrevention FundamentalsandPractice PaulL Bishop 清华大学出版社 2002 绿色化学化工 GreenChemistry TheoryandPracticebyPaulT Anastas JohnC Warner NewYork OxfordUniversityPress 1998GreenChemistry FrontiersinBenignChemicalSynthesesandProcesses byPaulAnastas TracyC Williamson 1998GreenChemistry ChallengingPerspectives GreenChemistrySeries byPietroTundo PaulAnastas 2000IntroductiontoGreenChemistry byAlbertS Matlack MarcelDekker Inc 2001 绿色化学化工 ResourcesareavailableontheInternetUSEPA sGreenChemistryProgram http www epa gov greenchemistry ACS sgreenchemistrywebsite http www chemistry org education greenchem GCI swebsite GreenChemistryInstitute http www lanl gov greenchemistry RoyalSocietyofChemistry sGreenChemistryNetwork http www chemsoc org networks gcn index htm 绿色化学化工 Comments 听课课程论文考试 绿色化学化工 主要内容 1 绪论2 绿色化学原理3 化学工业的可持续性发展4 工业生态学原理5 绿色化学化工技术6 绿色无机化学7 绿色有机化学8 绿色制药及农药9 绿色化学发展趋势10 环境治理及综合利用 绿色化学化工 第一章绪论Chapter1Introduction 绿色化学化工 内容提要 1 1人类十大环境危机1 2人类将面临的环境问题1 3环境污染及治理工程1 4中国21世纪的绿色科技1 5绿色化学化工引论 绿色化学化工 1 1人类十大环境危机 1 全球变暖有资料表明 由于大量排放温室气体 在过去的100年中 全球气温上升了0 6 全球变暖是一种大规模的环境灾难 它会导致海洋水体膨胀和两极冰雪融化 使海平面上升 危及沿海地区的经济发展和人民生活 影响农业和自然生态系统 加剧洪涝 干旱及其他气象灾害 此外 气候变暖还会影响人类健康 加大疾病危险和死亡率 增加传染病 绿色化学化工 2 臭氧层破坏1985年 英国科学家观测到南极上空出现臭氧层空洞 并证实其同氟利昂分解产生的氯原子有直接关系 这一消息震惊了世界 臭氧层耗损意味着大量紫外线将直接辐射到地面 导致人类皮肤癌 白内障发病率增高 并抑制人体免疫系统功能 农作物受害而减产 破坏海洋生态系统的食物链 导致生态平衡的破坏 高空中臭氧虽在减少 但低空中臭氧含量的增加还会引起光化学烟雾 危害森林 农作物 建筑物等 并会造成人的机体失调和中毒 绿色化学化工 3 生物多样性减少在地球上大约1000万 3000万的物种中 只有140万已经被命名或被简单地描述过 当前地球上生物多样性损失的速度比历史上任何时候都快 鸟类和哺乳动物现在的灭绝速度可能是它们在未受干扰的自然界中的100倍至1000倍 大面积地砍伐森林 过度捕猎野生动物 工业化和城市化发展造成的污染 植被破坏 无控制的旅游 土壤 水 空气的污染 全球变暖等人类的各种活动是引起大量物种灭绝或濒临灭绝的原因 物种减少是人类的灾难 绿色化学化工 4 酸雨蔓延被称为 空中恶魔 的酸雨目前已成为一种范围广泛 跨越国界的大气污染现象 酸雨会破坏土壤 使湖泊酸化 危害动植物生长 会刺激人的皮肤 诱发皮肤病 引起肺水肿 肺硬化 会腐蚀金属制品 油漆 皮革 纺织品和含碳酸盐的建筑 我国目前已发现有30 的地区有降酸雨的现象 主要集中在长江以南 20余年来 酸雨受害面积已扩大到国土的30 以上 甚至连土质碱性的北方也有一些城市 如青岛 图门 出现酸雨 绿色化学化工 5 森林锐减联合国有关资料表明 全球森林面积的减少主要发生在20世纪50年代以后 其中1980年至1990年期间全球平均每年损失森林995万公顷 约等于一个韩国的面积 近100年来 中国原有的森林面积已经减少了50 木材蓄积量减少了33 森林覆盖率为13 92 不到全世界森林覆盖率30 的一半 居世界第100位左右 绿色化学化工 6 土地荒漠化据有关资料记载 全球每年有600万公顷的土地变为荒漠 亚太地区如中国 阿富汗 蒙古 巴基斯坦 印度是土地荒漠化问题突出的国家 绿色化学化工 7 大气污染8水体污染全世界多数河流都受到不同程度的污染 其中约有40 的河流稳定流量受到较为严重的污染 全球每年水污染导致10亿人患病 300万儿童因腹泻死亡 绿色化学化工 无锡太湖太湖蓝藻暴发致自来水污染 搜狐新闻 htm 绿色化学化工 昆明滇池 2007年6月24日 昆明滇池海埂一线的岸边 蓝藻大量繁殖 让湖水绿浪翻滚 远处是著名的睡美人西山 绿色化学化工 2007年6月24日 因天气闷热 滇池蓝藻大量繁殖 在昆明滇池海埂一线的岸边 湖水如绿油漆一般 淮河 被污水围困的家园 CCTV 共同关注 五十年代淘米洗菜 六十年代洗衣灌溉七十年代水质败坏 八十年代鱼虾绝代九十年代拉稀生癌 一首广泛流传于淮河边的民谣 绿色化学化工 9 海洋污染目前 全球每年都有数十亿吨的淤泥 污水 工业垃圾和化工废物等直接流入海洋 河流每年也将近百亿吨的淤泥和废物带入沿海水域 赤潮现象1 rm赤潮现象2 rm 绿色化学化工 10 垃圾围城固体废物侵占大量土地 对农田破坏严重 严重污染空气和水体 垃圾填埋产生的垃圾渗漏液呈红棕色或深黑色 恶臭 成分复杂多变 垃圾渗漏液的处理是一个世界性的难题 绿色化学化工 1 2人类将面临的环境问题 1 生命伦理 概念受到挑战一是新的生物投放自然界后可能不受控制地繁殖 传播 从而影响现有的生态系统平衡 二是改变了的基因遗传特征可能不知不觉地传给其他生物 基因自然转移 并在这些生物中形成不受控制的或者是危险的特性 三是如果基因工程用于制造武器 就可能造出比原子弹威力更大的毁灭性武器 绿色化学化工 2 人类遭受新旧传染病的围攻 全球变暖 病菌传播范围扩大 病菌繁殖速度加快 环境污染 缺乏安全 卫生的饮用水和清洁新鲜的空气 现代病和环境怪病增多 人畜异体器官移植 病毒可能产生变异 成为人体内的新病原体或者同人体内原有病毒重新结合 形成新病毒菌株 抗菌素和杀虫剂的广泛使用 导致抗药性新病源体的出现 食品生产 加工 运输和销售的国际化 大大增加了食物源传染病的发病危险 绿色化学化工 3 人类活动污染宇宙人类在太空活动40年来 留在太空的垃圾如废弃卫星 火箭残骸 爆炸碎片等已满布太空 数以百万计 这些高速飘游的太空垃圾已成为危险的太空 飘流炸弹 对在轨道上运转的太空器造成了严重威胁 1983年 苏联一颗核动力间谍卫星烧毁 反应堆中的110磅放射性铀有80 被释放出来 使高层大气中的放射性最强的铀235含量增加了50 由于实验的需要 越来越多的地球生物进入太空 这些进入太空的生物 在受到强烈紫外线和宇宙射线的照射后发生突变 可能成为具有强烈毒性的生物 绿色化学化工 4 人类自身隐忧增加21世纪的人类社会在各种高新技术的装备下 现代化和自动化程度越来越高 人类可以在各种人造环境中舒舒服服地坐享其成 而人类的适应力和抗逆性将会渐渐减弱 英国伦敦大学基因教授史蒂夫 琼斯在1997年初发表的研究报告中惊呼 社会在进步 人种在退化 因为在舒适的环境中自然选择淘汰的机率越来越小 使得大量基因变异产生的素质不高的基因也能够遗传下去 最终导致人种的总体退化 绿色化学化工 1 3环境污染及治理工程 1 环境污染对人体的危害 急性危害 污染物在短期内浓度很高 或者几种污染物联合进入人体可以对人体造成急性危害 慢性危害 慢性危害主要指小剂量的污染物持续地作用于人体产生的危害 如大气污染对呼吸道慢性炎症发病率的影响等 远期危害 环境污染对人体的危害 一般是经过一段较长的潜伏期后才表现出来 如环境因素的致癌作用等 绿色化学化工 2 八大公害事件 马斯河谷烟雾事件 1930年 比利时 富山骨痛病事件 1931年 日本 洛杉矶化学烟雾事件 1943年 美国 多诺拉烟雾事件 1948年 美国 伦敦烟雾事件 1952年 英国 熊本水俣病事件 1953年 日本 四日市哮喘病事件 1955年 日本 爱知米糠油事件 1968年 日本 绿色化学化工 3 寂静的春天 1962年 美国科学家卡逊女士发表 寂静的春天 以通俗的笔法 提醒世人警惕过度使用农药的恶果 寂静的春天 像是黑暗寂静中的一声呐喊 唤醒了广大民众 绿色化学化工 其他环保思想及经典著作 人口原理 T R 马尔萨斯1798年 T R 马尔萨斯在 人口原理 一书中根据资源有限 而人口按几何级数增长的情况 首次提出人类应控制人口增长的思想 北大校长马寅初教授在中国首次提出实施计划生育国策 绿色化学化工 1851年 印第安索瓜米西族酋长西雅图 西雅图宣言 1962年 美 蕾切尔 卡逊 寂静的春天 1972年 罗马俱乐部 美 丹尼斯 米都斯等 增长的极限 1972年 美 芭芭拉 沃德 勒内 杜博斯 只有一个地球 1972年 美 巴里 康芒纳 封闭的循环 1975年 英 彼得 辛格 动物解放 1987年 世界环境与发展委员会 我们共同的未来 1991年 美 阿尔 戈尔 濒临失衡的地球 1992年 美 艾伦 杜宁 多少算够 1998年 瑞士 苏伦 埃尔克曼 工业生态学 绿色化学化工 4 全球环境保护对策大事记1970年4月22日美国发起第一个 地球日 活动 1972年6月16日联合国人类环境会议通过 联合国人类环境宣言 1972年11月通过 保护世界文化和自然遗产公约 1973年1月联合国成立环境规划署 1973年11月通过 濒危野生动植物国际贸易公约 1977年8月联合国通过 防止荒漠化行动计划 1979年6月通过 保护移动性野生动物物种公约 1982年5月18日联合国人类环境会议通过 内罗毕宣言 1984年4月非洲召开环境保护会议 决定每年4月10日为 非洲环境保护日 1985年3月5日通过保护臭氧层的 维也纳公约 绿色化学化工 1987年4月27日世界环境与发展委员会公布 我们共同的未来 长篇报告 1987年9月16日联合国环境署保护臭氧层会议通过 蒙特利尔协定 1989年3月23日联合国环境署控制危险废物越境转移会议通过 巴塞尔公约 1992年6月3日至14日联合国环境与发展大会 102个国家元首出席会议 大会通过了 里约热内卢环境与发展宣言 以及 二十一世纪议程 1992年11月16日1575名著名科学家起草的 世界科学家对人类的警告 发表 1993年9月17日至19日联合国环境规划署与澳大利亚民间环境团体联合倡议的 让世界清洁起来 的运动在61个国家得到热烈响应 1994年9月5日至13日联合国第三次世界人口与发展大会通过了遏制世界人口增长 促进社会发展的 行动纲领 与会代表15000人 绿色化学化工 一 中国21世纪的绿色科技 1 绿色科技的含义及其发展可持续发展的基本国策促进了绿色科技的诞生 绿色科技是国家为实现经济可持续发展实施的一项技术战略 绿色科技是以保护人体健康和人类赖以生存的环境 促进经济可持续发展为核心内容的所有科技活动的总称 无论从内涵和外延都超越了环境科技 然而 它将保护自然资源和生态环境作为主要价值目标之一 对我国环保事业发展将提供全方位和系统的技术支持 对全国科技发展具有重要指导意义 绿色化学化工 国外绿色科技发展现状近十年来 发达国家在扭转环境保护困境 调整技术方向的过程中 逐渐出现和形成了绿色科技 绿色科技为开发绿色产品 引导绿色消费 开拓未来市场和发展绿色产业创造机遇 已成为实施可持续发展战略的重要内容 自20世纪90年代初 工业发达国家相继采取措施 使环保工作由污染治理向污染预防转变 绿色化学化工 1994年7月 美国政府发布了 面向可持续发展的未来技术 报告 强调指出环境技术发展的重心是预防而不是治理已经发生的污染 德国也努力致力于以绿色科技推动社会经济朝向良性循环方向发展 并使其成为现代化发展的重要组成部分 一个成功的例子就是制成 绿色电视 它具有耗电省 电磁辐射低 使用材料种类少且便于回收利用 避免过早淘汰等特点 加拿大联邦政府早在1993年就已制定绿色计划 日本政府非常重视节约资源和能源 倡导和推广绿色技术 已把环境技术 电子技术和汽车技术并列为三大领先绿色技术 绿色化学化工 世界范围绿色技术革命浪潮的中心在于 利用绿色高新技术开发绿色产品 引导绿色消费 但是由于发达国家制订苛刻的环境标准 世界贸易中出现了所谓 绿色壁垒 许多国家开始实行环境标志制度 对促进绿色产品开发 引导绿色消费起到了重要作用 环境标志是对产品符合绿色要求的一种认定 德国是率先实行环境标志计划的国家 美国的污染预防法 日本的环境协调型产品计划 加拿大的 环境优选 等都对绿色科技的发展起了重要的促进作用 绿色化学化工 2 环保事业对绿色科技的需求21世纪初 我国国民经济的稳步增长和环境保护事业的飞速发展 要求环境科技不仅要为污染治理提供技术支持 为管理提供决策依据 还要为预防可能出现的新污染问题提供可行的方案和措施 总之 将技术取向从以治理污染为主调整到开发绿色产品 引导绿色消费 发展绿色产业方向上来 绿色化学化工 例如 21世纪环保所需的清洁生产技术主要包括绿色能源技术 环境协调材料新技术 废物减量化技术等 环境协调材料是资源和能源消耗最少 对环境影响最小 再生循环利用率最高的各种新型材料 它的开发和研制是21世纪初绿色环保科技攻关的重要方向之一 在污染治理技术方面重点是要发展高新分离和生物技术设备以解决难降解 高浓度有机废水的处理问题 在自然生态保护与恢复方面 要着重探索资源开发后的生态恢复技术 生态建设中的单元技术 如生物农药 生物肥料 可降解地膜 肥料等 还要重点推进生态保护与恢复技术的产业化进程 绿色化学化工 1 5绿色化学化工引论 1 绿色化学的定义和发展简史绿色化学 也可叫作可持续的化学 SustainableChemistry 它是一个概括性的概念 化学是一种给予能力的或可操作的科学 利用它可使经济和环境的发展协调地进行 Chemistryisanenablingsciencethatwillalloweconomicprogressandenvironmentalprogresstoproceedinharmony 按照定义 绿色化学就是利用一套原理在化学产品的设计 开发和加工过程的实行中都应减少或消除使用或产生对人类健康和环境有害的物质 绿色化学化工 有一些重要事件促使了绿色化学的诞生和迅速发展 1987年联合国提出关于 OurCommonFuture 的报告 率先提出了可持续发展的概念 随之 1992年在巴西里约举行的联合国环境与发展大会上受到百余国家元首一致肯定 这意味着工业增长 经济发展必须既符合当代社会需要并能为人类后代保护资源和环境 美国1990年通过了污染预防法 PollutionPreventionActof1990 这是关于着眼源头污染预防的第一个环境法规 它促使USEPA于1991年建立了绿色化学规划 当时在OfficeofPollutionPrevention Toxics的Dr PaulT Anastas创造并定义了绿色化学专名词 此人现在WhiteHouseOfficeofScience TechnologyPolicy 绿色化学化工 USEPA与USNSF合作支持开展并在ACS范围内组织了题为 DesignfortheEnvironmentof21Century EnvironmentallyBenignChemistry EnvironmentalFriendlyChemistry 等专题学术讨论会 通过美国EPA 学术界 工业界 政府部门等协作提出利用化学开发新的污染预防技术并建议设立总统绿色化学挑战奖以资鼓励 美国于1995年建立了此种特殊奖励 每年颁发一次 目前在U K Australia Italy Germany等国都设立了类似的国家级奖励 绿色化学化工 Dr PaulT Anastas和麻省大学的JohnC Warner教授提出了有关绿色化学的12条原则 为绿色化学奠定了理论基础 美国建立了世界第一个绿色化学研究所 院 GCI 1997年5月先是由工业界 学术界 国家重点实验室等在互联网上组成的虚拟非盈利组织 目前已在17个国家有它的联合组成部分 2001年初GCI已与ACS合作 以便加强化学在环境研究中的作用 GCI已在ACS总部中设立办公室 并且ACS将提供给GCI核心基金 GCI所长Dr DennisL Hjeresen当前致力于把绿色化学从学术领域扩展到社会各个方面 使其成为有力的重要工具 绿色化学化工 2 环境中有毒化学品和事故危害DDT是人所共知的曾是应用广泛的杀虫剂 绿色化学化工 然而 它在鸟类体内累积后 造成蛋壳变薄 使很多鸟类种群显著减少 如猎鹰 秃鹰 鹗和棕色鹈鹕等 RachelCarson在 寂静的春天 著作中第一次提出了这类问题 目前仍有一些国家生产和使用 其它一些持久性多氯代化合物 如PCBs 二恶英 已知是具有雌激素性质 成为环境内分泌干扰物 绿色化学化工 在1950年代后期到1962年曾用作处理孕妇作呕的药剂 然而后来发现在46个国家中有8000个儿童具有出生缺陷 在巴西 曾用此种药治疗麻疯病 导致数十个生育畸形 绿色化学化工 由于很多化学品有毒 出现了一些憎化学品 Chemphobia 的呼声 认为全天然 Allnatural 总比化学品为好 其实不然 天然物中也含有有毒化学物质 当用发霉的花生喂火鸡时造成火鸡发病或死亡才发现了它 已知它是致癌物 绿色化学化工 AflatoxinB1 黄曲霉毒素 人吃了由黑麦上生长的麦角酸制成的麦角酸衍生物后 即变得发狂 绿色化学化工 Lysergicacid 麦角酸 当人吃了未处理好的河豚鱼 可能中毒致死 由于它含有河豚毒素 可造成肺脏麻痹而死亡 有些商人用黄樟树根提取物作软饮料的香味剂 其中就含有黄樟素 它是一种致癌物 绿色化学化工 Safrole 黄樟素 天然食物中有的也含有有益的化学物质 比如水果和蔬菜中常常含有天然抗氧化剂 像葡萄中含有的resveratrol即可抑制肿瘤的发生发展 绿色化学中尽量选择无毒少毒原料并最少使用易燃易爆和具有高反应活性的材料 绿色化学化工 Resveratrol 加强研究 卫生保健和食品监督管理以及克服不良生活习惯对生命安全起很大作用 此处列举一些美国的数据可见一斑 绿色化学化工 美国每年可防止的死亡估计 艾滋病 世界各国发生的关于有毒化学品的环境事故很多 近年 著名的世界化学品事故如 1984年12月3日印度波帕尔40吨甲基异氰酸酯从一个农药厂泄漏到人口稠密区 造成3500人死亡 150 000人受伤 1986年4月26日 乌克兰切尔诺贝利核反应堆爆炸 使放射性物质传播远至瑞典 死亡了45人 并使500公里外的儿童甲状腺癌患者明显增加 1996年4 6月间 英国利物浦附近的一家化工厂溢出了704磅二氯乙烯和331 000磅的三氯甲烷 不久前 我国河南洛阳公路上一辆载有若干吨氰化钾的载重汽车翻倒在洛河中造成严重事件 绿色化学化工 3 绿色化学的一些原理和效果由于可持续发展的战略需要和工业产品必须符合工业生态学的原则要求 传统的化学品的设计 合成方法面临严峻的挑战 绿色化学作为国际上学科前沿一个十分有生命力的发展方向涉及多学科交叉非常广泛的领域 绿色化学化工 4 绿色化学的主要研究内容1设计或重新探索对人类健康和生存环境更安全的目标物质这是绿色化学的关键部分 它是利用化学构效关系和分子改性以达到效能和毒性之间的最佳平衡 绿色化学不仅重视新化合物的设计 同时要求对多种现有化工产品重新评价和设计 例如 联苯胺是个很好的染料中间体 但具有极强的致癌作用 已被很多国家禁用 但对其分子结构加以改造 变为二乙基联苯胺后 既保持了染料的功能 又消除了致癌性 绿色化学化工 绿色化学化工 Thedesigningofsaferchemicalsistheuseoftherelationshipbetweenmolecularstructureandproperties structure activityrelationship SAR andmolecularmanipulationmethodtoobtainmoleculeswithmaximizeddesiredfunctionsandminimizedharmfulness Designingsaferandeffectivetargetmolecules 设计更安全的目标物质 In1983 aseminaronthedesigningofsaferchemicalshasbeenholdinWashington Itinvolvestwoaspects 绿色化学化工 Thedesigningofnewsafeandeffectivemolecules 2 Thedesigningofnewsaferandeffectivemoleculestoreplacethemoleculeswhichexistedeffectivebutnotbenign Wehavemorethan18 000thousandsofcompoundsuptonow while600thousandsofnewcompoundsappeareveryyear 绿色化学化工 绿色化学化工 Traditionalwaysoffindinganeffectivemolecule Practicalneeds synthesis test synthesis test Newmoleculardesigningways Trialanderrors Practicalneeds designingbySAR SafetyAnalysisReport synthesis Guidedtheoretically test Example1 UsingCO2tosubstitutephosgene 光气 inthesynthesisofpolyurethane 聚氨酯 Seekingnewstartingmaterialstosubstitutetheactuallyusedhazardousandpoisonousmaterials 绿色化学化工 Polycarbonate 聚碳酸酯 Phosgeneiswidelyusedfortheproductionof isocyanate 异氰酸酯 polyurethane 聚氨酯 绿色化学化工 Isocyanateisfirstsynthesizedbythereactionofphosgeneandamine andthenusingisocyanatetoproducepolyurethane Traditionalway RNH2 COCl2 RNCO 2HCl RNHCO2R1 Thesynthesisofisocynate 异氰酸酯 Whatkindsoffunctionalgroupwouldphosgeneprovideinachemicalreaction Whichkindofcompoundcouldbeemployedtosubstitutephosgene 绿色化学化工 providing COgroup 绿色化学化工 Carbondioxideisusedtosubstitutephosgeneintheproductionofisocyanate providingcarbonylgroup Thefunctionofphosgene providing COgroup RNH2 CO2 RNCO H2O RNHCO2R1 Newgreenerway Thesynthesisofisocyanate 异氰酸酯 usingCO2 绿色化学化工 C6H5NH2 CO2 C6H5N H CO2H C6H5N C O H2O Aniline 绿色化学化工 2CH3OH COCl2 CH3OOCOOCH3 2HCl 2CH3OH CO O2 CH3OOCOOCH3 H2O Catalyst 2CH3OH CO2 CH3OOCOOCH3 H2O Thesynthesisofdi methylcarbonate Traditionalway Newgreenerways Example2 TheeliminationoftheuseofHCN hydrocyanicacid hydrogencyanide prussicacid bychangingtheprocess HydrocyanicacidHCNiswidelyusedfortheproductionof Hexanedinitrile 己二腈 Seriesofmethylpropenoicacid 甲基丙烯酸系列 Seriesofintermediatechemicalssuchaschelator chelatingagent 螯合剂 methionine 蛋氨酸 etc 绿色化学化工 绿色化学化工 Thesynthesisofsodiumiminodi acetate 亚氨基二乙酸二钠 Traditionalway involvestwosteps NH3 2CH2O 2HCN NCCH2NHCH2CN 2NaOH NaO2CCH2NHCH2CO2Na NH3 绿色化学化工 AnewstartingmaterialHOCH2CH2NHCH2CH2OH diethanolamine 二乙醇胺 isused Newgreenerway ReplacingHCN Thesynthesisofadipicacid hexanedioicacid己二酸 andhexamethylenediamine 己二胺 绿色化学化工 CH2 CHCH CH2 HCN NCCH2CH2CH2CH2CN HOOC CH2 4COOH H2N CH2 6NH2 Traditionalmethod ReplacingHCN 绿色化学化工 C6H12 TheoxidationofCyclo hexane 环己烷 Oxidation HOOC CH2 COOH Thehydrocarbonylationofbutadiene CH2 CHCH CH2 2CO 2H2 OHC CH2 4CHO HN CH CH2 4CH NH H2N CH2 6NH2 HOOC CH2 COOH O2catalyst 2NH3 2H2O 2H2 Newgreenermethods ReplacingHCN Thesynthesisofphenylaceticacid 绿色化学化工 C6H5CH2Cl HCN C6H5CH2CN HCl C6H5CH2COOH H2O C6H5CH2Cl CO C6H5CH2COOH OH H2O Traditionalway Newgreenerway Example3 Thesynthesisofadipicacidbychangingstartingmaterial 绿色化学化工 Traditionalway Couldanyonetellmethedisadvantagesofthismethod Disadvantagesofthetraditionalmethod PhotochemicalsmogDepletionofozone Acidrain 绿色化学化工 Thestartingmaterial Benzene ishazardous carcinogentic Thereleaseofnitrogenoxideswhicharemultifunctionalpollutants Useofheavymetals cobalt 绿色化学化工 Eliminationoftheuseofsolvent theuseofhazardousbenzene thecorrosivecapacityofhydrogenperoxideisnotassevereasnitricacid nopollutantsproduced KamzuhikoSato 1998 Science 281 1646 1647 Newgreenermethod1 绿色化学化工 Thesynthesismethodiswidened DrathandFrost 1990 1991 Newgreenermethod2 Notonlyeliminatetheuseofbenzene butalsodevelopanewmethodtouserenewablebiomass glucose Computeraideddesigningofsyntheticroute Practicalneed greatamountofpossibleroutesforagivingtargetmolecule 绿色化学化工 CoreyandBersohn 30yearsago usedcomputertohelpdesigningofsyntheticroute Computeraideddesigningofsyntheticroute 30 30 30 30 30 30 305 24millionroutes 绿色化学化工 Itisnecessary e g Ifthesynthesisofacompoundneeds5steps and30methodsarepossibleforeachstep thuswewillhave Theprogressincomputerscienceandtechnology Computeraideddesigningofsyntheticroute Constructionofadatabaseofchemicalreactionsascompleteaspossible PutforwardourrequirementLetthecomputergiveusthepossiblestartingmaterialswhichcouldformthetargetmolecule 绿色化学化工 TechnicalWay Furthersearchforthestartingmaterialusingtheformerstartingmaterialasthetargetmolecules untiltheprovidedstartingmaterialisneededCompareallpossibleroutes andchoosethemostfavorableonefromtheviewpointofeconomicalandenvironmentaleffect 2着眼于基本原料的改变如生产尼龙的己二酸 一直用有致癌作用的苯为起始物制备 1994年通过遗传工程利用微生物为催化剂 以葡萄糖为起始物成功地合成了己二酸 这个新技术去除了大量有毒的苯 在技术上 经济上都完全可行 是绿色化学的一个范例 绿色化学化工 Usingofrenewablestartingmaterial 基本原料的改变 150yearsago industrialorganicchemicalswereallderivedfrombiomassoriginatedfromplants 绿色化学化工 Theuseofbiomassasstartingmaterialforenergyandchemicalsproductionregainmuchattention becauseofitsrenewability Onekindofsolarenergy SecurityandEnergyResources 绿色化学化工 Oil 30 50years NaturalGas 50 100years Coal 200 400years Usingofrenewablestartingmaterial 绿色化学化工 Biomass Starch 淀粉 amylum Lignin 木质素 lignine Lignin 164billionts yearamountused 1 5 Examples plants trees crops grasses aquaticplantsandtheirresiduesorwastematerials 5hundredsmilliontonsofwheatstraw 麦秸秆 10milliontonsofricebran 米糠 10milliontonsofcorncob 玉米穗轴 20milliontonsofricehull 谷壳 7milliontonsofbiogases 沼气 绿色化学化工 Usingofrenewablestartingmaterial about2 8 3 5hundredsmillionoftonscanbeusedasresourceofenergy year InChina Theburningofstraw wasteofresourcewhilepolluting 绿色化学化工 ThestructureofligninanditseffectonitsdegradationOrientateddegradationtoproducedirectlyusefulchemicals 绿色化学化工 Usingofrenewablestartingmaterial Fundamentalscientificchallenge Technicalchallenges ContinuousoperationSeparationoftheproducts 绿色化学化工 Usingofrenewablestartingmaterial Actualprogresses Cross Agriculturalwaste polysaccharides多聚糖 Naturallydegradablepolymer SichuanUniversity UniversityofScienceandTechnology ShandongUniversity ChemicalInstituteAcademyofChina Guangzhou 绿色化学化工 Usingofrenewablestartingmaterial HaltzapplefromTexasA Muniversity 1996 ThepresidentialGreenChemistryAward Convertingbiomasstofuelandchemicals 绿色化学化工 Directliquation Biomass Liquidfuel chemicals Indirectconversion Gasification C3 C4Gases Gasfuel CO H2 Liquidfuel chemicals Catalyticconversion Usingofrenewablestartingmaterial Gasificationreactor fixedbed forbiomassconversion 绿色化学化工 gasifier purification fan gastank NeededByHome biomass air Gasificationreactor fluidizedbed forbiomassconversion 绿色化学化工 gasifier air biomasstank CO 2H2 CH3OH methanol CO H2 screwfeeder ashseparation catalysisreationbed reformingreactionbed biomass Gasificationreactor fluidizedbed forbiomassconversion Gasproduction 150M3 hOperationpressure 1MPaHeatcapacity 7MJ M3Efficiencyofenergyconversion 80 绿色化学化工 开发新资源实现资源持续利用 绿色化学化工 Fast growingbamboo Fast growingshrubs Convertbiomasstousefulproductsgreenchemically 将生物质转化为化学化工原料 Agriculturalwaste 3逐步用良性试剂淘汰有毒试剂过去在有机合成和化学工艺中一向最重视反应回收率 而对毒性考虑较少 这给绿色化学留下广阔的用武之地 研究新的合成转换反应和新试剂 例如 美国等西方国家通过将二氧化碳转化成碳酸镁和碳酸钙或其他有机物或燃料控制和利用空气中二氧化碳排放 绿色化学化工 逐步用良性试剂淘汰有毒试剂 绿色化学化工 PaulAWender1996 thestartingmaterialusedshouldbethecheapestandmostfeasible theoperationandmanipulationshouldbesimple safeandenvironmentallybenign thereactionrateshouldbefastandtheyieldofthetargetproducts eithernaturalordesignedbyourselves shouldbeashighaspossible 4全面改变反应条件 绿色化学化工 SeekingforsafeandeffectivecatalystLoadingofactivecomponentonsuitablesupportReplacingliquidacidsbysolidacidsSeekingforsafeandeffectivereactionmediumUsingsupercriticalfluidasreactionmediumUsingwaterasreactionmedium Loadingofactivecomponentsonsuitablesupport TraditionalFriedel Craftsreactions 酰基化 hydrofluoricacid 氢氟酸 sulfuricacid 硫酸 aluminiumchloride 三氯化铝 boronfluoride 三氟化硼 borontrifluoride areusedasthecatalysts 绿色化学化工 Thedisadvantages Loadingofactivecomponentsonsuitablesupport Theoperationmustbedoneanhydrously waterfree 3molesofhydrogenchloridewillbereleasedwhenaccountingwater Thesystemiscorrosive strictoperationconditionsmustbecontrolled Lowselectivitybecauseoftheformationofpoly alkyl substitutedproductsandotherisomers 绿色化学化工 Inacylationreactions 酰基化 suchasordinaryacylation theformylationofbenzene 苯甲酰化 sulfo acylation 磺酰化 largeamountofaluminiumchlorideisneededbecauesofthecomplexityoftheproducts Finally watermustbeaddedtoreleasetheproductmoleculeandthusreleasinglargeamountofhydrogenchlorideaswellaschlorinatedhydrocarbonsasimpurity 绿色化学化工 Loadingofactivecomponentsonsuitablesupport ThesupportedcatalystK10 AlCl3 preparedbysupportingAlCl3onmontmorilonite 蒙脱土 imvite showsactivityashighastheconventionalonesandhigherselectivityfortheformationofmono alkylatedproductthantheoldones ThesupportingofZnCl2onmontmorilonite 蒙脱土 imvite couldalsoobtainanewkindofcatalystfortheFridel Craftsreactions andthisalreadyprovidesanewperspectiveforindustrialapplication 绿色化学化工 绿色化学化工 Example1 ThetraditionalFridel Crafts 付 克 acylationreaction Targetproduct Aluminiumchlorode 1 3 TheuseofnewcatalystEnvirocata EPZGtoreplaceAlCl3 theamountofcatalystcouldbereducedto1 10ofthetraditionalone theamountofwaste HCl isreducedto whiletheyieldofthetargetproductincreasedto70 andtheselectivityoftheisincreased theamountofortho substitutedproductisreducedtotrace Usingsupercriticalfluid scf asreactionmedium Thechara