绿色化学的理念还是非常年轻的,大概在1990年提出“Green Chemistry“,在1998年提出了绿色化学的12原则。一开始,提出“绿色”一词主要是意味着“对环境无害“。对于绿色化学的研究热潮,不同的年份有不同的热点,因此,与绿色化学相关关键术语的化学摘要的搜索显示,每个主题的出版物数量在特定年份占比增加:1980 年是 "biomass conversion" 和 "supercritical CO2 " , 1996年是 "life cycle analysis" 和 "green chemistry", 1999 为"ionic liquids" ,而2001年则是"atom economy"。
调查研究表明,许多有机化学教科书,涉及到绿色化学方面的介绍还是不多,深入讲解的就更少了。Anastas和Warner编写的著作《绿色化学:理论和实践》,提出了绿色化学的12个原则(见下图)。
1,减少废弃物的产生
开发绿色的过程,减少废弃物的产生,而不是在产生废弃物后在想办法处理。这样,可以从源头上解决反应产生过多的废弃物(固气液)的问题。
2,原子经济性最大化
基于Barry Trost发展的反应计算方法:产品分子的原子量除以用于制造产品的所有试剂和原料的分子量的比值,比值越接近1表明反应的原子经济性越好。
常见的反应类型:
重排和加成反应的原子经济性较好,取代与消除反应的的原子经济性则略差。除此之外,有机反应通常会发生许多意料之外的变化,虽说这是有机化学的魅力所在,但也确实导致了反应原子经济性的下降。
3,涉及有害物质更少
减少与产品制造方式有关的危险可以大大减少工人的责任,有助于工人的健康和安全,并将发生化学事故的可能性降到最低。同时,有害物质的减少,对环境也更加友善
4,产物有效且无毒
我们是否经常发现自己犯了一个错误,然后在急于纠正第一个错误时又犯了另一个错误?
历史上用于纺织品干洗的溶剂的大概时间
历史上用于纺织品干洗的溶剂一开始用萘、苯,因为其易燃性;随后更换为Stoddard溶剂(C7-C12烷烃),这类溶剂容易导致慢性肾中毒;随后又更换为四氯化碳、三氯乙烯和四氯乙烯,这是因为该类溶剂不易燃;但是四氯化碳具有致癌性,三氯乙烯也有毒性,四氯乙烯也逐渐被淘汰。第六代对干洗溶剂,主要选择CO2和C11-C15烷烃因此,在设计产品及其生产过程,应该充分考虑在保证产品有效的前体下,过程尽量无毒
5,溶剂与操作更安全
精细化工和药物化学过程的E-因子(废弃物与所需产品的质量比)非常高,这是为什么呢?最为主要的因素来自于溶剂!溶剂占了精细化工和药物化学过程85-90%的废弃物。这是因为产品制备过程涉及多步化学合成过程,而每一步通常都需要萃取、反应、分离,这些操作需要大量的溶剂进行。因此,减少化学生产中使用的溶剂对环境的影响可以通过减少溶剂的数量或选择对环境危害较小的溶剂来实现。
6,节约能源提高效率
随着燃料成本的全面上升,任何使用超过绝对必要的能源的过程都成为主要成本。从全球气候变化的角度来看,这种过度的能源消耗可能会导致温室气体的产生。能够提高能源效率的策略包括但不限于无溶剂反应、催化、微波辅助合成和合成光化学。
7,使用可再生资源
我们有哪些原料是可再生的?首先想到的是生物质能、二氧化碳废料和塑料废料。虽然关于可再生原料的传统讨论不包括废弃物,但它们具有显著的可再生性(不管我们喜欢与否,它们都可以被更新),而且比生物量可获得的数量要多得多。常见的可再生资源有:二氧化碳,废弃的塑料,几丁质等。
8,避免非必要衍生化
虽然在反应过程中引入保护基、再脱去保护基,可以有效地进行反应,但是现在也有很多化学家通过设计与实践,避免使用保护基,这样可以使反应更为简洁高效
9,实现催化反应
催化反应也是实现绿色化学的有力方法。目前而言,催化反应在绿色化学12个原则中,是研究最为广泛深入的,一直以来也是研究的热点。
10,产品使用后可降解
化学产品的设计应使其在功能结束时不会在环境中存留,并分解为无害的降解产品。这种争议最著名的例子是二氯二氟甲烷,这是一种1928年设计的产品,在当时用作制冷剂的无毒和一般安全的有毒、反应性易燃或爆炸性气体(氨、二氧化硫和氯甲烷)的替代品。它们被称为氯氟碳(CFCs),具有不同的物理性质,但它们都无毒、不发生反应,而且几乎不会被摧毁。但是,45年后,在大气中检测到氯氟碳(CFCs),并发现该类化合物是破坏地球臭氧层的杀手:每一个氯氟化碳分子可能会破坏10000个臭氧分子。因此,1989年《蒙特利尔议定书》禁止生产和使用氯氟烃。可见,设计出“恰到好处”的材料,以保证产品在生命周期中的稳定性和产品性能,同时对环境友好,是一项艰巨的任务。
11,实时监控分析
发展分析方法,以便在危险物质形成之前进行实时的过程中监测和控制。通过这些监控手段,调整化学过程,使其更为绿色。
12,减少事故发生的可能性
应选择化学过程中使用的物质和物质的形式,以尽量减少化学事故的可能性,包括释放、爆炸和火灾。这个原则是显而易见的,但是有时候实施起来缺容易被忽视。因此,实验人员应该时刻谨记:安全再怎么强调都不为过,唯有安全牢记心中,时刻保证安全,方能减少、避免事故的发生。
合成过程需要减少的方面
理想合成的八个方面
理想的合成当然也是完全符合绿色化学理念的,因此,努力使合成理想化,其实也就是在实践绿色化学。
加州大学伯克利分校的一般化学实验室课程为每个实验重新设计使用的:实验模块,化学原理和绿色化学原理。
通过这些实验课程,学生能熟悉绿色化学的组成部分,并开始从绿色化学的角度分析化学问题,但需要进一步的课程学习来获得绿色化学实践方面的专业知识。
应用绿色化学,不仅可以带来有效的环境效益,而且也会得到良好的经济效益回报。绿色化学是设计化学产品和过程,以减少或消除有害物质的使用和产生。它是在原子和分子最基本的层面上防止污染。绿色化学将创新化学与经济和环境效益相结合,为解决一些最重要的环境问题提供了一种基于科学的方法。它是高度跨学科的,融合了工程学、生物学、经济学和伦理学的各个方面。绿色化学的概念和实践构成了发展可持续化学工业战略的核心,实际上也是一个可持续发展的世界。读者朋友们,如果对化解 Chem有什么建议,麻烦在公号页面留言,谢谢。