绿色催化在有机合成中的应用

绿色催化在有机合成中的应用

摘要：对绿色催化剂催化剂的定义、作用及在有机合成中的应用进行简单的综述，并以此为基础对绿色化学的定义、历史、原则以及研究方法,作全面的综述。

关键词：绿色化学、有机工艺合成、绿色催化剂

前言：

随着社会的科级迅速发展，全球范围内的人口膨胀，资源短缺，环境污染日益严重的问题已经摆在人类的面前，人类在享受着高科技带来的便利的同时，也在思考着如何利用高科技技术让人类自身摆脱社会发展带来的副作用[1]，为了唤起人们对环境保护的重视和和绿色产品和工程的关注，美国政府于20世纪八十年代提出了“绿色化学”这个概念，尽管“绿色化学”这个词经常出现在政府的报告、媒体的言论以及研究机构的研究人员的研究论文中，但是许多人对这时髦的新鲜词汇却没有真的的深层次了解，甚至还将其与环境保护、可持续发展混为一谈。这不得不需要专业的人才对绿色化学的知识进行普及。绿色催化剂具有无毒、无害、选择性好、催化活性高、反应条件温和、不产生环境污染等共性，并且因此成为了当代21世纪研究绿色化学的主要课题。绿色化学也称可持续的化学。绿色化学就是研究利用一套原理在化学产品的设计、开发和加工生产过程中减少或消除实验或生产对人类健康和环境有害物质的科学。

有机合成工艺是当代化学合成工艺中重要的一部分。1828年F.维勒由无机物氰酸铵合成了动物代谢产物尿素，数年之后H.科尔贝又合成了乙酸，从此有机合成工艺获得迅速发展，并且投入生产线进行生产，但是有机合成的弊端也因此而显现，生成物产率不高，生产过程中原材料利用率不高，更严重的是生产过程中可能会产生过度的有毒废物。这不得不要求我们寻求一个高效的方法去解决这一系列问题。当今兴起的绿色化学及其绿色催化技术正在一步步的帮助人类去解决有机合成工艺所面对的问题。

1.绿色化学的历史

1984 年美国环保局首先提出“废物最小化”，初步体现绿色化学的思想，但是这个思想有着一定的局限性，就是只将注意力放在了生产后的废物处理中，而并没有将着重点放在生产过程中，导致反应效果很差。到1989 年美国环保局

提出“污染预防”，指在生产过程中最大限度的减少废物的产生，并且有效的利用合理的资源，这才初步形成绿色化学思想，1990 年美国联邦政府通过“防止污染行动”的法令，并将污染的防止确立为国策之后，才第一次出现“绿色化学”这个词汇。并将绿色化学定义为采用最少的资源和能源消耗, 并产生最小排放的工艺过程。

1995年4月美国副总统戈尔宣布了国家环境技术战略。另外, 1995年美国政府设立了“总统绿色化学挑战奖”,推动了绿色化学在美国的迅速兴起和发展, 并引起全世界的极大关注。1999年英国皇家化学会创办了第一份国际性《绿色化学》杂志,绿色化学很快成为国际化学科学的前沿学科[2]。中国在1995 年确立了《绿色化学与技术》的院士咨询课题,1999年底在北京举行了以“绿色化学基本科学问题”为主题的21世纪核心科学问题论坛，并于2008 年设立环境保护部。绿色化学的兴起，对全世界的工艺合成技术，尤其是化学合成工艺产生了深刻的影响作用。

2.绿色催化的发展

随着大量催化剂的开发及应用，化学生产工艺工业得到了快速的发展。据研究统计，约有85％的化学品是通过催化工艺生产的。[3]研究表明催化剂是化学化学生产工艺中不可或缺的部分，催化剂的正确选择对化学合成的反应速率、反应的选择和转化性和转化率，以及减少或消除副产物的产生等具有重要的作用。酸、碱液体是传统有机合成中常用的催化剂，如三氯化铝等常作为烃类的烷基化反应的催化剂，但是此类催化剂弊端就是对化学合成的设备具有高度腐蚀性，对人体也有较大危害，并且产生的废渣对环境的污染也较为严重。因此选择无毒无害的催化剂是十分重要的。过去对于催化剂的研究只仅仅考虑催化剂的催化活性、寿命、成本及制造工艺，很少关注催化剂的环保性及其对环境的影响。但随着近年来绿色化学的提出，以制备过程的绿色化为要求及清洁生产为目的的绿色催化工艺及催化剂开发已成为21世纪的热点。

2.1 光催化剂

这是一类借光的激发而进行催化反应的催化剂，例如ZnO—CuO—H

20

2

，在紫

外光作用下对工业染料废水可以以近100%脱色率进行催化脱色。Ti0

2

光催化分解二氯乙酸、二氧化碳的光催化固碳都是以光催化剂为主要的催化反应。

2.2 新型酸碱催化剂

无机酸碱是化学生产工艺中常用的催化剂，但这些催化剂存在着腐蚀设备、副反应多、环境污染严重的弊端，近年来开发的固体超强酸（强碱）催化剂、杂多酸催化剂等都是环境友好的催化剂。超强酸是指比100%硫酸强度还强的酸，例如：HF-SbF5(1:1),将超强酸经真空浸渍、焙烧等方法处理金属氧化物等固体载体就可以值得超强酸固体催化剂。杂多酸就是以P5+,As5+,B+,Si4+,Ge4+为中心原子，以WO3,MoO3，V2O5为配体形成一种结构单元为四面体、八面体等一类化合物。这两类新型的酸具有很好的稳定性，可用于均相反应和非均相反应，还可以做相转移催化剂，它们既不腐蚀仪器设备也不会污染环境。

2.3 仿酶催化剂

这可以说是一种真正的绿色催化剂，它是一种生物催化剂，并且具有高效催化性，有近乎专一的催化性能。如以苯作原料制乙二酸，整个操作过程需要在高温、高压的环境下进行，所用硝酸和苯对设备腐蚀严重，有很强的毒性，生产成本高，投资大。美国人T．W．Forest用纤维素与葡萄糖作原料，以生物酶催化发酵的新工艺生产乙二酸，反应可在常温、常压、无毒、无害、无腐蚀的条件下进行，这不仅大大提高了生产效率，还降低了生产成本，更重要的是维护了生态环境。

2.4 膜催化剂

这类催化剂是将催化剂制成催化膜，反应物可以有选择性地穿越催化膜并发生反应，产物也可以有选择地穿过膜而离开反应区域，从而有效地调节反应区域内反应物和产物的平衡浓度，这也是将膜技术和催化技术综合的一门新发现。例如Nox在膜反应器中还原，反应转化率可达100％。[4]

2.5 沸石分子筛催化剂

分子筛是一种多空固体颗粒，孔径尺寸非常均匀，且只有分子大小的水平，所以它只能吸附于孔径相匹配的物质分子，随着化工产品生产和分离提纯要求的提高，科技人员已经研发出符合工艺生产的各种不同类型的分子筛，其应用的领域已经从石油化工扩展到精细化工、农业、环境保护等领域，并且它课取代传统的酸碱催化剂，成倍的提高反应速率、优化产品质，实现了环境友好的生产。[5] 3.绿色催化剂在有机合成中的作用