绿色化学合成研究进展

绿色化学合成研究及进展

摘要：阐述了绿色化学的概念、发展状况和存在的问题，探讨绿色化学在化学合成的重要性以及必要性。并结合传统化学合成方法与新型绿色合成方法讨论传统化学以及绿色化学的优缺点。

关键词：绿色化学合成传统化学

1引言

化学是研究物质的性质、结构、组成及其变化规律的科学。它是一门实用的“中心学科”，与数学、物理学等学科共同构成当代自然科学迅猛发展的大基础[1]。化学与其他学科的交叉与渗透，产生了很多边缘学科，如生物化学、地球化学、宇宙化学、海洋化学、大气化学等，使得生物、电子、航天、激光、地质、海洋等科学技术迅猛发展。在人类发展历程中, 贯穿人类进步的主线是人类对物质世界认识的不断深化利用、改造和创造物质能力的不断提高。其发展过程可以分为3 个阶段: 第一阶段, 人类活动只为满足生存的基本需要; 第二阶段是要满足日益增长的生存质量的需要; 到第三阶段,则不仅要保证现今地球上的人类的生存质量, 也要保证未来子孙后代的需要。

近年来, 人类利用化学科学的成就, 创造和生产出大量的化学物质, 不断地满足人类社会的经济和文化需求, 为人类的进步作出了巨大的贡献。然而在化学变化过程中, 常有伴随着副反应生成的副产物、催化剂、分离提纯过程中形成的废弃混合物以及在反应过程中易挥发的有毒有害气体等排放到大气、水体、土壤等周边环境。化学在开发天然资源满足人类的生活需要方面作出巨大贡献的同时, 也给人类赖以生存的地球环境带来了污染, 直接威胁着人类生存的可持续发展, 因此化学科学的发展面临着挑战。人们在享受化学工业给医疗保健、娱乐及衣食住行等方面带来巨大进步的同时, 也逐步意识到其对人类健康、社区安全、生态环境的危害。因此, 可持续发展成为人类科研和生产的重要课题。为了解决这一问题, 人们提出了预防污染的新概念, 即从污染的源头减少甚至避免污染物的产生。绿色化学的概念由此应运而生。

1.1绿色化学概述

绿色化学又称为环境友好化学, 是指在制造和应用化学品时, 应有效利用原料, 消除废物和避免使用有毒、危险的化学试剂和溶剂, 并建立环境友好的生产工艺, 使化学工业可持续发展。其目的是节约资源, 从源头防止污染, 将治理环境从治标转向治本[2]。美国化学会提出, 绿色化学是旨在减少或降低化学产品的生产过程中有害物质的使用和产生的设计。绿色化学, 要求把现有化工生产技术路线从先污染, 后治理, 改变为从源头上根除污染。绿色化学的理想在于采用原子经济反应, 即原材料中的每一个原子都进入产品, 不产生任何废物, 实现废物的零排放, 以及不采用有毒、有害的原料、催化剂和溶剂, 生产出环境友好的产品。从科学的观点来看, 绿色化学的要求将导致化学学科基础性的变迁。绿色化学的核心内容是原子经济性, 即在通过化学转换获取新物质的过程中充分利用每个原子。理想的原子经济性反应是原料分子中的原子全部( 100% ) 转变成产物, 不产生副产物或废物, 即实现废物的零排放。

绿色化学的主要内容：①开发新型原子经济性、高选择性反应, 特别是新型催化剂的开发和研制; ②可再生资源和矿物的各种成分的多级、多层次转化和高效综合利用; ③新反

应条件及过程如超临界流体、环境无害的反应介质等; ④酶催化和仿生催化以及生物质分子和酶分子在催化过程中的构效关系; ⑤制备与环境相容的可生物降解的新材料; 重要农药和药物及其中间体的绿色生产[3]。

1．2绿色化学在我国的发展状况

在我国, 绿色化学已经提出15年。1995 年中科院提出绿色化学与技术推进化工生产可持续发展的途径; 1997 年国家自然科学基金委提出九五重大基础研究环境友好石油化工催化化学与化学反应工程; 1998年化学进展杂志出版绿色化学技术专辑; 1997 年、1999 年两次举办绿色化学论坛。全球环境保护的意识和呼声的增强推动了绿色化学的发展。世界各国逐渐认识到绿色化学的发展应该从大学化学教学着手。为此, 国内外很多大学都开设了绿色化学课程, 有些大学开始招收绿色化学硕士和博士研究生。

1.3绿色化学的重要性

绿色化学是当今国际化学学科的研究前沿, 它综合了化学、物理、生物、材料、环境和计算机等学科的最新理论和技术, 是具有明确社会需求和科学目标的新兴交叉学科。从科学观点来看, 绿色化学是对传统化学思维方式的更新和发展;从环境观点来看, 它是从源头上

消除污染; 从经济观点来看, 它综合利用资源和能源, 降低生产成本, 符合经济可持续发展的要求。

传统的化学工业给环境带来的污染已十分严重，目前全世界每年产生的有害废物达3亿吨～4亿吨，给环境造成危害，并威胁着人类的生存。迄今为止，化学工业的绝大多数工艺都是20多年前开发的，当时的加工费用主要包括原材料、能耗和劳动力的费用。近年来，由于化学工业向大气、水和土壤等排放了大量有毒、有害的物质。所以，从环保、经济和社会的要求看。化学工业不能再承担使用和产生有毒有害物质的费用。需要大力研究与开发从源头上减少和消除污染的绿色化学。绿色化学的研究已成为国外企业、政府和学术界的重要研究与开发万向。这对我国既是严峻的挑战，也是难得的发展机遇。

2 传统化学合成方法和绿色化学合成方法事例

2.1 布洛芬合成工艺

布洛芬是一种广泛使用的非类固醇类的镇静、止痛药物, 传统生产工艺Boots 法包括6 步化学计量反应, 原子的有效利用率低于40%。新工艺BHC 法采用3 步催化反应. 原子的有效利用率接近80% ( 若考虑副产物乙酸的回收则利用率达到99%)[4]。

Boots 法合成布洛芬:

BHC 法合成布洛芬:

与经典的Boots 工艺相比, BHC 工艺是一个典型的原子经济性反应, 不但合成简单, 原料利用率高,

而且无需使用大量溶剂和避免产生大量废物, 对环境造成的污染小。Boots 工艺肟化法从原料到产物要经过4 步反应, 每步反应中的底物只有一部分进入产物, 所用原料中的原子只有40%进入最后产品中。而BHC 工艺只需3 步反应即可得到产品布洛芬, 其原子经济性达到77%, 也就是说新方法可少产废物37%。如果考虑副产物乙酸的回收, BHC 合成布洛芬工艺的原子有效利用率则高达99%。

2.2 仲醇氧化成酮反应[5]

（1）传统方法是以CrO3 作氧化剂把醇氧化成酮：

上述反应原子经济性=（192×3）／(194×3＋100×2＋98×3)＝53.3℅,原子利用率很低。

（2）在合适催化剂作用下直接用O2氧化：

原子经济性=192／（194＋16）＝91.4℅ ，此反应原子利用率大幅提高，符合绿色化学要求。

2.3 反应条件对化学反应速率影响[6]

（1）在如上所示氧化反应中，与常规反应相比，采用超声催化，使得化学反应时间大大缩短，且产率提高。常规机械搅拌7h，产率仅为48%，而超声波辐射1h，

产率可达88%。

（2）此外由于有机反应大多数在溶剂中进行，采用超临界溶剂可以减少污染，如采用新型催化剂如过渡态的氧化催化剂等都符合绿色化学的要求。

2.4 合成己二酸反应