第二章 精细化工绿色化

2.3 精细化学品合成原料绿色化 2.4 精细化工过程溶剂绿色化 2.5 精细工绿色技术
2.1 精细化学品及其生产绿色化设计
1. 传统精细化工和中间体化学品生产的问题
传统的精细化工产品和中间体生产
产量小，占化工产品量5~10% 品种多，占化工产品数目>80% 化学计量反应－副产物多，E-因子大 工业使用的非均相催化剂： 约 95% 用于石油炼制和石油化工，及大宗化学品的生产
产品总原子利用率仅为40.03%
采用新发明的方法生产布洛芬，废物量可减 少37%，美国BHC公司因此获得了1997年度 “总 统绿色化学挑战奖”的变更合成路线奖。
产品总原子利用率为77.44%
例二、苯甲醛(6-3)是一种重要的中间体，传统的合 成路线是以甲苯(6-4)为原料通过亚苄基二氯(6-5) 水解而得：
3–5% 用于精细化学品的合成
精细化工产业的收益占全部化工工业的20% 精细化工－投入少、资源消耗少、产出高、污染严重 －更加需要绿色技术！
正如无污染、无公害的食品被称为“绿色食 品”，无氟电冰箱被称为“绿色电冰箱”一样， 绿色精细化工指的是对环境无公害的低污染或者 无污染精细化学品工业，故又可以称为清洁精细 化工、环境无害或环境友好精细化工。
间接电解氧化法制备苯甲醛(6-3)是一条绿色生产工 艺：
4 改善原子经济性的途径
副产物作为原料循环利用可以改善原子经济性。
例如，氯霉素生产中的副产物邻硝基乙苯，是 重要的污染物之一，将其制成杀草胺(Shacaoan)， 就是一种优良的除草剂。
邻硝基乙苯
杀草胺
又如，叶酸(Folic acid)合成中的丙酮氯化反应：
C2H4O + CaCl2 + H2O
C2H4O + CaCl2 + H2O 44 44 111+18=129 111 18
参加反应原料M
合成目标产物M 废弃物M
28
71
74
AU = 44 / (28 + 71 + 74 ) ×100% = 25%
（3）环境因子（E-因子）：每制备1 kg产物所产生 的废物（不可利用的副产物）的千克数。
直接氧化法
参加反应原料M
28
16 44 0
合成目标产物M
废弃物M
AU = 44 / (28 + 16 ) ×100% = 100%
氯乙醇法
CH2CH2 + Cl2 + H2O ClCH2CH2OH + HCl
ClCH2CH2OH + HCl + Ca(OH)2
CH4 + Cl2 + Ca(OH)2
苯乙酸(6-11)是合成药物的重要中间体。目 前工业上仍以苯乙腈水解来制备，而苯乙腈又是由 苄氯(6-12)和氢氰酸反应来合成的。现在通过苄氯 (6-12)羰化合成苯乙酸(6-11)已经获得成功：
(6-12) 苄氯
2.3 精细化学品合成原料绿色化
在一般的化学反应过程中，所使用的基础原料 的费用约占产品成本的60%~70%，因而原料的选择 和利用至关重要，它决定采用何种反应类型、加工 工艺的诸多因素，从绿色化学的观点来看，还要考 虑其在运输、贮存和使用过程中可能对环境造成的 影响。目前，绝大多数化学品是用石油、煤等不可 再生资源作基本原料，能耗高、环境污染严重。还 有传统化工过程使用的光气、氢氰酸等剧毒原料， 对人体健康和环境危害严重。
产品的绿色化。
精细化工原料的绿色化，要求尽可能选用无毒无害化工原 料进行精细化学品的合成，以减少原料的生产所带来的环境污 染和毒害品伤害。精细化工工艺技术的绿色化，要求利用全新 化工技术，如新催化技术、生物技术等开发高效、高选择性的 原子经济性反应和绿色合成工艺，从源头上减少或消除有害废
物的产生；或者改进化学反应及相关工艺，降低或避免对环境
超临界流体及固、液、气状态示意图
超临界流体最重要的性质是具有很大的压缩性， 温度和压力较小的变化即可引起体积发生很大的变 化，因此可以借助对系统压力和温度的调节，在较 宽范围内改变超临界流体的溶解能力，而且可以通 过局部作用的影响来控制反应活性与选择性，在常 压下为气体的超临界流体还可以实现无溶剂反应， 最重要的是超临界流体大多无毒且不可燃，有利于 安全清洁生产。
因此，原料绿色化首先是开发传统原料的替代原料， 禁用剧毒原料。生物质是理想的石油替代物，由于其 含有较多的氧元素，在产品制造过程中可以避免或减 少氧化步骤的污染，同时过程的危害性也较小。
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原料是生产精细化学品的源头。绿色化学首先 考虑的是无毒无害，最大限度实现原子经济性反应， 兼顾前处理及后续过程对环境无影响，再考虑原料 的可替代性。
有害的原料的使用，减少副产物的排放，最终实现零排放。精 细化工产品的绿色化，要求根据绿色化学的新观念、新技术和
新方法，研究和开发无公害的传统化学用品的替代品，设计和
合成更安全的化学品，采用境友好的生态材料，实现人类和自 然环境的和谐与协调。
绿色精细化工的基础
用生物质资源或绿色化的原料，在绿色化溶剂或 无溶剂条件下，采用绿色化能源、绿色化催化剂和绿 色化高新技术，以最经济、最清洁、最安全、最优化 的过程，进行原子经济性反应，转化率、选择性、收 率尽量达到最高，使原料中的原子尽可能全部转化为 绿色化产品，实现废物的零排放，是研究绿色精细化 工过程的基础。
精细化工是生产精细化学品的工业，是现代化学工业的重 要组成部分，是衡量一个国家科学技术水平和综合实力的重要 标志之一。绿色精细化工，就是运用绿色化学的原理和技术， 选用无毒无害的原料、开发绿色合成工艺和环境友好的化工工 艺、生产对人类健康和环境无害的精细化学产品。绿色精细化
工的内涵主要包括：化工原料的绿色化、工艺技术的绿色化和
尽量常温常压
消除潜在危险
2.2 原子经济性反应和绿色合成反应
1 基本概念 （1）原子经济性：指合成所用原料化合物分子中究 竟有百分之几的原子转化成为有用产物。 理想原子经济性反应：指构成原料化合物分子中的 原子百分之百地转化成有用产物，不产生副产物或 废物，做到废物零排放。 A+B A+B C(产物) + D(副产物) C(产物) + C’ (产物) + D(副产物)
环境因子E越大，表明化工过程所产生的废物 越多，造成的资源浪费和环境的污染越大。
不同化工领域E-因子
精细化工生产应尽量采用催化技术和先进的 分离技术，可减少反应步骤，减少后处理过程不 必要的损失，其环境因子就会下降。
（4）环境商（EQ）：E为环境因子，Q为废物对环境 中的不友好程度。 环境商越小，表面该化学过程绿色化程度越高。
收率（产率） 某重要产物实际收的量与投入原料计算 的理论产量之比值，也以百分率表示。
转化率 对某一组分来说，反应物所消耗的物料 量与投入反应物料量之比简称该组分的转 化率。一般以百分率表示。
选择性 各种主、副产物中，主产物所占比率。
例：甲氧苄氨嘧啶生产中由没食子酸经甲基化反 应制备三甲氧苯甲酸工序，测得投料没食子酸 25.0kg，未反应的没食子酸2.0kg，生成三甲 氧苯甲酸24.0kg，求转化率、选择性和收率。
反应过程中放出大量的氯化氢废气，直接排放 将对环境造成严重污染。经依次用水和液碱吸收后， 既消除了氯化氢气体造成的污染，又可回收得到一 定浓度的盐酸。
循环套用，不仅可降低原辅材料的单耗，提 高产品的收率，而且可减少环境污染。
如，甲氧苄氨嘧啶(Trimethoprim，TMP)生产
铁氰酸钾 三甲基苯甲酰肼 黄血盐钾氨 三甲氧基苯甲酰 铁氰酸钾
替代氢氰酸的绿色过程
氢氰酸是重要化工原料，剧毒。 （1）合成甲基丙烯酸甲酯及其衍生物合成。
丙酮氰醇法、异丁烯氧化法
（2）氨基二乙酸钠合成。
（3）苯乙酸钠合成。 （4）己二酸和己二胺的合成。 生物质资源的利用
生物质是光合作用产生的所有生物有机体的总称。人类最 理想的绿色资源和能源应该是生物质，其储量丰富，可以再生， 无污染，价廉易得
原子利用率、环境原子、环境商
评价化学品生产绿色化程度的重要指标
2 有机合成中的原子经济性反应
重排反应 Bedkmann重排、Claisen重排、 经 理 （1） 无副产 济想 Fischer-Hepp重排、Fries重排、Wolff重排 反原 应子
加成反应 （2）
条件控制 不当，副产
亲电加成、亲核加成、催化加氢、环加成 光加成
（3） 取代反应
性原 较子 消除反应 差 经 （4） α-消除、γ-消除、β-消除 济
负面影响原子经济性 亲核取代、亲电取代、游离基取代 烷基化、芳基化、酰基化、磺化、硝化
3 提高原子利用率的方法
例一、非甾体消炎镇痛药布洛芬(Ibuprofen，6-1) 的合成曾采用Darzens合成路线，从原料异丁苯 (6-2)到成品需如下六步反应：
第二章 精细化工绿色化
2.1 精细化学品及其生产绿色化设计
2.1.1 精细化学品生产绿色化 2.1.2 精细化学品生产绿色化设计
2.2 原子经济性反应和绿色合成反应
2.2.1 基本概念 2.2.2 有机反应中的原子经济性反应 2.2.3 提高原子利用率的方法 2.2.4 改善原子经济性的途径 2.2.5 实现原子经济性反应最重要的途径
当溶剂处于气态和液态平衡时，流体密度和 饱和蒸气密度相同，界面消失，该消失点称为临 界点，在临界点以上的区域称为超临界状态。 超临界流体兼有气、液两者的特点，密度接近于 液体，具有与液体相当的溶解能力，对大多数固体 有机化合物都可以溶解，使反应在均相中进行，同 时又具有类似于气体的粘度和扩散系数，提高超临 界流体的运动速度和分离过程的传质速率。
精细化学品生产绿色化设计
精细化学品及其工业涉及三部分： 原药的合成、复配物的制备、商品化
精细化学 品绿色化 关键
产品设计
有效产品、功能终结后
本教材绿色化学 归纳八项原则
合成路线 少废物，高收率 设计合成（催化剂） 绿色催化剂 原料选用、循环利用 无毒无害 少辅助物质 无毒无害
节能、绿色能源
储运涉及物质安全 化学过程有效控制
选用合适的催化剂催化合成反应，是实现精 细化工绿色化最重要的途径。
例、在药物中间体4-氨基吡啶(6-9)的合成中，原 工艺采用铁粉还原硝基氧化吡啶(6-10)制备4-氨 基吡啶(6-9) 。 现采用催化加氢还原技术，既简化了工艺操 作，又消除了环境污染。
(6-10) 硝基氧化吡啶
(6-9) 4-氨基吡啶
2.4 精细化工过程溶剂绿色化
挥发性有机溶剂在带给人们丰富物质和生活便利 的同时，也带来了环境的污染和对健康的危害。 开发一种精细化学品时，其生产过程最好不用溶剂， 但做到这一点不容易。 所以，溶剂绿色化是绿色化工过程的重大研究课 题，目前最活跃的研究领域是超临界流体。
1.超临界流体
通常指用于溶解物质的超临界状态溶剂。
亚铁氰化钾氨
• 将反应母液循环套用，可显著地减少环境 污染。 • 其它的如催化剂、活性炭等经过处理后也 可考虑反复使用。 • 化学制药工业中冷却水的用量占总用水量 的比例一般很大，必须考虑水的循环使用， 尽可能实现水的闭路循环。
改进操作方法
例、抗菌药诺氟沙星合成中的对氯硝基苯(6-7)氟化反 应，原工艺采用二甲基亚砜(DMSO)作溶剂。
乙烯在银催化剂存在时氧化制备环氧乙烷
甲醇和CO在催化剂下通过氧化羰基化反应 合成碳酸二甲酯
（2）原子利用率（AU）：度量原子经济性。是用 来估算不同化工过程所用的原料化合物分子中原子 利用程度，可用化学反应式计算出其理论值。
AU越大，表明消耗原料而产生的副产物少
原子利用率和产物的收率、转化率及选择性的区别
后改用高沸点的环丁砜作溶剂，反应液除去无机盐 后，可直接精馏获得对氟硝基苯(6-8)，避免了废水的 生成。
5 实现原子经济性反应最重要的途径
催化反应是实现原子经济性反应最重要的途径。 合成抗帕金森病药物（lazabemide）: 传统合成路线，经历8步，总收率8%； 钯催化羰基化反应，一步合成，理论原子利用率 达100%，总收率65%。
碳酸二甲酯（DMC）----无毒无害 作为羰基化、甲基化和羰甲氧基化试剂 （1）碳酸二甲酯代替光气合成异氰酸酯。 （2）碳酸二甲酯作为甲基化试剂代替硫酸二甲酯。 （3）碳酸二甲酯用于精细化学品或有关中间体合成。
异氰酸酯的合成
传统工艺：光气与伯胺或仲胺反应 绿色工艺：DMC法
优点：
催化反应：氧化铅最好，或醋酸锌、汞盐、氯化铝催化剂 反应条件温和：60C、1h 苯胺转化率98%，N-苯基碳酸甲酯收率高达99% 副产甲醇可利用