绿色化学原理PPT学习教案

1、会计学1 绿色化学原理绿色化学原理 20092 21 防止污染优于污染治理防止污染优于污染治理 Prevent waste It is better to prevent waste than to treat or clean up waste after it is formed. 污染治理污染治理 污染防止污染防止 可持续发展可持续发展 绿色化学及其应用技术绿色化学及其应用技术 从源头从源头 第1页/共28页 20093 22提高原子经济性提高原子经济性 Maximize atom economy Synthetic methods should be designed to maxim

2、ize the incorporation of all materials used in the process into the final product. 原子经济性原子经济性：1991年，美国年，美国Stanford大学的大学的B.M.Trost教授首次提出了反应的教授首次提出了反应的“原子经济性原子经济性”（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个原子，使之结合成目标产物。原子经济性可用原子利用率衡量：）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个原子，使之结合成目标产物。原子经济性可用原子利用率衡量： 原子经济被利用

3、的原子总式量100使用的所有反应物的总式量 原子利用率越高，反应产生的废弃物越少，对环境造成的污染也越少。原子利用率越高，反应产生的废弃物越少，对环境造成的污染也越少。 产率 理论产量 实际产量 第2页/共28页 20094 OCH2POPh3CH2Ph3P 98 27696 278 原子利用率仅为26% Wittig反应: 第3页/共28页 20095 计算由乙烯制备环氧乙烷反应的原子利用率。计算由乙烯制备环氧乙烷反应的原子利用率。 （1）经典方法 二步法 CH2=CH2 + Cl2 + H2O ClCH2CH2OH + HCl ClCH2CH2OH + Ca（OH)2 +HCl C2H4O

4、 + 2CaCl2+2H2O C C2 2H H4 4 + Cl+ Cl2 2 + Ca + Ca（OHOH）2 2C C2 2H H4 4O+CaClO+CaCl2 2+H+H2 2O O 28 71 74 4428 71 74 44 原子利用率 44 28 25.4% 7174 原子利用率只有原子利用率只有25%。生产。生产1kg的目标产物的同时产生的目标产物的同时产生3kg的废物。的废物。 Cl2是有害物质，腐蚀设备且对人体具有伤害，需要特殊的设备和保护措施。是有害物质，腐蚀设备且对人体具有伤害，需要特殊的设备和保护措施。 为了得到产品，需要分离和纯化步骤。为了得到产品，需要分离和纯化步

5、骤。 第4页/共28页 20096 (2）新方法 一步法 C C2 2H H4 4 + + O O2 2 C C2 2H H4 4O O 28 16 44 原子利用率 44 2816 100% 绿色化学评价：绿色化学评价： 原子利用率原子利用率100%，是原子经济反应。，是原子经济反应。 O2是对人体和环境都无害的物质。是对人体和环境都无害的物质。 不需要分离纯化步骤。不需要分离纯化步骤。 第5页/共28页 20097 反应类型及其原子经济性反应类型及其原子经济性 分子重排反应。重排反应是构成分子的原子通过改变相互的位置、连接、键的形式等产生一个新的分子的反应分子重排反应。重排反应是构成分子的

6、原子通过改变相互的位置、连接、键的形式等产生一个新的分子的反应。 100%原子经济性原子经济性 第6页/共28页 20098 加成反应。是原子经济反应。加成反应。是原子经济反应。 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。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。 CHCH2 2=CH=CH2 2+HBr +HBr -CHCH3 3CHCH2 2Br Br 第7页/共28页 20099 取代反应取代反应 反应的原子经济性降低。包括烷基化、芳基化、酰化、磺化等反应。其通式为： AB + CD AC + BD 例如丙酸乙脂与甲胺的取代反应 消除反应消除反应。 原

7、子经济性最低的反应。包括脱氢、脱水、脱氨、脱卤化氢、脱醇、脱羧基、脱酰基以及降解等反应。 第8页/共28页 200910 为了衡量生产过程对环境的影响， 1992年荷兰化学家Sheldon提出了环境因子的概念，其定义为： 原子利用率越低，环境因子就越大，生产过程产生的废物就越多，造成的资源浪费和环境污染就越大原子利用率越低，环境因子就越大，生产过程产生的废物就越多，造成的资源浪费和环境污染就越大 第9页/共28页 200911 几个行业的环境因子几个行业的环境因子 生产规模生产规模/kg/kg E E因子因子 石油精炼石油精炼 基本化工基本化工 精细化工精细化工 制制 药药 109109101

8、1 1011 107107109 109 105105107 107 104104106106 0.1 0.1 1 15 5 5 550 50 2525100100 注意： 原子经济反应是最大限度利用资源、最大限度减少污染的必要条件，但不是充分条件。因为有的原子经济反应，或是平衡转化率很低，反应物与产物难以分离，反应物难以循环使用；或是选择性不高，存在其它平行反应，生成不需要的副产物，被当作废物排放到环境中，造成环境污染。原子经济反应是最大限度利用资源、最大限度减少污染的必要条件，但不是充分条件。因为有的原子经济反应，或是平衡转化率很低，反应物与产物难以分离，反应物难以循环使用；或是选择性不高

9、，存在其它平行反应，生成不需要的副产物，被当作废物排放到环境中，造成环境污染。 第10页/共28页 200912 2.3 无害化学合成无害化学合成 Design less hazardous chemical syntheses Wherever practicable, synthetic methodologies should be designed to use and generate substances that possess little or no toxicity to human health and the environment. 无 害 化 学 合无 害 化 学

10、合 成成 采用无毒无害的原料采用无毒无害的原料- 减少反应的毒害程度减少反应的毒害程度 减少化学品的暴露减少化学品的暴露 降低化学品的危害降低化学品的危害 绿色原料包括：有毒原料替代品，绿色原料包括：有毒原料替代品， 石油替代品，天然可再生资源等石油替代品，天然可再生资源等 环境商（环境商（EQEQ），来衡量合成反应对环境造成的影响），来衡量合成反应对环境造成的影响。 EQ=EEQ=EQ Q E-E-E-E-因子因子 Q-根据废物在环境中的行为所给出的对环境不友好度。根据废物在环境中的行为所给出的对环境不友好度。 第11页/共28页 200913 2.4 设计安全化学品设计安全化学品 Desi

11、gn safer chemicals and products Chemical products should be designed to preserve efficacy of function while reducing toxicity. 1 什么是绿色化学产品什么是绿色化学产品 绿色化学产品的两个特征绿色化学产品的两个特征: a. 产品本身不会引起环境污染和健康问题，包括不会对野生生物、有产品本身不会引起环境污染和健康问题，包括不会对野生生物、有 益昆虫或植物造成损害；益昆虫或植物造成损害； b. 当产品被使用后，应能再循环或易于在环境中降解为无害物质。当产品被使用后，应能再循

12、环或易于在环境中降解为无害物质。 第12页/共28页 200914 2 绿色化学品的评价原则绿色化学品的评价原则 a. 对人体的毒性对人体的毒性 致毒途径有三种致毒途径有三种 接触致毒接触致毒 生物吸收致毒生物吸收致毒 物质的固有毒性致毒物质的固有毒性致毒 第13页/共28页 200915 评估毒性大小的三个指标评估毒性大小的三个指标 毒性作用的效力毒性作用的效力 毒性的作用点毒性的作用点 毒性的可消除性毒性的可消除性 b.对野生生物的毒性对野生生物的毒性 建立毒性测试数据库建立毒性测试数据库 利用构效关系外推利用构效关系外推 利用现有毒性测试数据外推利用现有毒性测试数据外推。 c.对环境的影

13、响对环境的影响 对局部环境的影响对局部环境的影响 对全球环境的影响对全球环境的影响 第14页/共28页 200916 3、设计绿色化学产品的方法和一般原则、设计绿色化学产品的方法和一般原则 设计安全化学品的定义：利用构效关系和分子改造的手段使化学品的毒理设计安全化学品的定义：利用构效关系和分子改造的手段使化学品的毒理 效力和其功效达到最适当的平衡。效力和其功效达到最适当的平衡。 三种设计方法： 一般设计原则一般设计原则 “外部”效应原则减少暴露或降低进入生物体的机会 “内部”效应原则 防止毒性 第15页/共28页 200917 5 5、绿色化学产品设计的成功范例、绿色化学产品设计的成功范例 海

14、洋船舶防垢剂海洋船舶防垢剂 ： 4、 设计安全化学品的实施基础设计安全化学品的实施基础 Rohm & Haas公司研究出公司研究出Sea-Nine（tm）抗浮游生物剂）抗浮游生物剂 汽油添加剂汽油添加剂-无铅汽油的开发无铅汽油的开发: 甲基叔丁基醚甲基叔丁基醚(MTBE) 、 甲基叔戊基醚甲基叔戊基醚(TAME) 第16页/共28页 200918 2.5 采用安全的溶剂和助剂采用安全的溶剂和助剂 Use safer solvents and auxiliaries 辅助物质是指在合成和生产过程中能帮助处理和操作，但又不构成目标分子的物质。辅助物质是指在合成和生产过程中能帮助处理和操作，但又不构

15、成目标分子的物质。 辅助物质主要有溶剂和助剂。辅助物质主要有溶剂和助剂。 传统辅助物质的可能危害：传统辅助物质的可能危害： 绿色辅助物质：绿色辅助物质： 水，超临界流体，离子液体，固定化溶剂，无溶剂反应。水，超临界流体，离子液体，固定化溶剂，无溶剂反应。 The use of auxiliary substances (e.g. solvents, separation agents, etc.) should be made unnecessary wherever possible and, innocuous when used. 第17页/共28页 200919 2.6提高能源经济性提

16、高能源经济性 Increase energy efficiency Energy requirements should be recognized for their environmental and economic impacts and should be minimized. Synthetic methods should be conducted at ambient temperature and pressure. 化学工业中使用的能源：化学工业中使用的能源： 提供反应所需的能量；用热能加快反应速度；用冷却的方法控制提供反应所需的能量；用热能加快反应速度；用冷却的方法控制

17、反应；分离需要能量。反应；分离需要能量。 可利用的能量：可利用的能量： 电能电能 第18页/共28页 200920 光能光能 微波微波 超声波超声波 Grignard试剂和，-不饱和二氧戊环的反应 2-甲基-1，3-戊二烯与乙醛酸酯在苯溶剂中的反应 可见光条件下的二硫代保护基团的感光裂解可见光条件下的二硫代保护基团的感光裂解： 第19页/共28页 200921 2.7 利用可再生资源合成化学品利用可再生资源合成化学品 Use renewable feedstocks A raw material of feedstock should be renewable rather than depl

18、eting wherever technically and economically practicable. 生物质生物质-有光合作用产生的所有生物有机体的总称，包括植物、农作物、林产物、林产废弃物、海产物（各种海草）和城市废弃物（报纸、天然纤维）等。有光合作用产生的所有生物有机体的总称，包括植物、农作物、林产物、林产废弃物、海产物（各种海草）和城市废弃物（报纸、天然纤维）等。 可再生生物质资源替代石油、煤、天然气等矿物资源将成为不可阻挡的历史潮流。可再生生物质资源替代石油、煤、天然气等矿物资源将成为不可阻挡的历史潮流。 生物质的利用生物质的利用 作为绿色原料合成化学作为绿色原料合成化学

19、品品 作为化石能源的替代品作为化石能源的替代品 生物质的利用技术生物质的利用技术 物理方法物理方法 化学方法化学方法 生化方法生化方法 第20页/共28页 200922 木糖木糖 丁二烯丁二烯 戊烷，戊烯等戊烷，戊烯等 苯，甲苯，二甲苯苯，甲苯，二甲苯 生物质生物质 乙酸，过乙酸乙酸，过乙酸 酚类化合物酚类化合物 甲基芳香醚甲基芳香醚 清洁清洁 分馏分馏 木质素木质素 快速快速 裂解裂解 酚类物质酚类物质 氢化乙醛氢化乙醛 混合酸混合酸 气气 化化 溶 剂 分溶 剂 分 离离 纤维素纤维素 葡萄糖葡萄糖 山梨醇山梨醇 甘露糖醇甘露糖醇 葡萄酸葡萄酸 5-羟甲基糠醛羟甲基糠醛 乙酰丙酸乙酰丙酸

20、乳酸乳酸 半纤维素半纤维素 糠醛糠醛 催化催化 第21页/共28页 200923 2.8减少衍生物减少衍生物 （Reduce derivatives） 保护基团保护基团 暂时改性暂时改性 加入功能团提高反应选择性加入功能团提高反应选择性 化学合成中可能出现衍生现象的步骤：化学合成中可能出现衍生现象的步骤： Unnecessary derivatization (blocking group, protection/deprotection, and temporary modification of physical/chemical processes) should be avoided

21、whenever possible 第22页/共28页 200924 2.9采用高选择性的催化剂采用高选择性的催化剂（Catalysis） 环境友好的催化技术的热点领域：环境友好的催化技术的热点领域： 采用安全的固体催化剂，如分子筛，杂多酸等采用安全的固体催化剂，如分子筛，杂多酸等 采用择形大孔分子筛。采用择形大孔分子筛。 采用比对称催化合成技术，得到光学纯手性产品。采用比对称催化合成技术，得到光学纯手性产品。 采用茂金属催化剂采用茂金属催化剂-分子设计分子设计 超分子催化剂超分子催化剂-分子记忆和识别分子记忆和识别-用于药物合成。用于药物合成。 石油化工中的生物催化技术。石油化工中的生物催化

22、技术。 生物催化法生物催化法-减少减少“三废三废”-用于有机合成。用于有机合成。 电催化电催化-环境相容性环境相容性 在固定和移动能源中采用燃烧法，作为污染动力。在固定和移动能源中采用燃烧法，作为污染动力。 合成酶应用于燃料和化工过程。合成酶应用于燃料和化工过程。 在同一体系中，采用酶、无机和金属有机催化剂，进行增效的多功能催化反应。在同一体系中，采用酶、无机和金属有机催化剂，进行增效的多功能催化反应。 广泛应用膜分离技术与多功能催化反应器。广泛应用膜分离技术与多功能催化反应器。 第23页/共28页 200925 2.10 2.10 设计可降解化学品设计可降解化学品Design for degradation Chemical products should be designed so that at the end of their function they do not persist in the en