浅谈绿色化学的研究进展与前景

试论绿色化学的研究进展与前景

【摘要】：本文对新型的化学学科——绿色化学进行了详细的阐述，使人们了解绿色化

学对解决现有环境问题的重要作用，并按照目前通用的分类方法从原料的绿色化、催化剂

的绿色化、溶剂的绿色化、合成方法的绿色化、产品的绿色化等几个方面探讨了现有绿色

化学技术的现状以及研究进展情况。

【关键词】：绿色化学 研究进展 前景

引言:

化学在国民的生活生产中占据着重要的地位，它在保证和提高人类生活质量、保护

自然环境以及增强化学工业的竞争力方面均起着关键作用，可以说人们的生产和生活处处

体现着化学的重要作用。但另一方面，随着化学工业的不断发展，人们又看到我们的周围

环境污染的日益严重，不但影响着一个国家的经济发展、对环境造成的危害，而且对人类

自身的健康甚至是生存都造成了严重的威胁。目前我们人类正面临的十大环境问题是：(1)

大气污染；(2)臭氧层破坏；(3)全球变暖；(4)海洋污染；(5)淡水紧张和污染；(6)土地

退化和沙漠化；(7)森林锐减；(8)生物多样性减少；(9)环境公害；(1O)有毒化学品和危

险废物，应当说这十个问题都直接或间接地与化学物质污染有一定关系。解决问题的办法

初期主要以治理为主，但这些办法效果有限，而且费用昂贵。在积累了三十几年治理污染

的经验后，人们提出了污染预防这一新的概念——绿色化学。绿色化学体现了化学科学、

技术与社会的相互联系和相互作用，是化学科学高度发展以及社会对化学科学发展的作用

的产物，是根本上或源头上治理环境污染的必由之路，对化学本身而言也是一个新阶段的

到来。

一、绿色化学的起源和发展概况

随着对化学工业对环境影响认识的加深，人们开始关注环境问题。发达国家在废物控

制、处理，环境监测、达标，事故责任赔偿等方面的费用大量提升。1984年美国环保局(EPA)

提出“废物最小化”，基本思想是通过减少产生废物和回收利用废物以达到废物最少，这

是绿色化学的最初思想。。1990年美联邦政府通过了“防止污染行动”的法令，将污染的

防止确立为国策，该法案条文中第一次出现了“绿色化学”一词，其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。1992年美国环保局又发布了“污染预防战略”。

这些活动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。同时日本

也制定了新阳光计划，其主要内容为能源和环境的研究开发，该计划提出“简单化学”概念，即采用最大程度节约能源、资源和减少排放的生产工艺来实现未来的化学工业，为地

球环境而变革现有技术，并指出绿色化学就是化学与可持续发展相结合，其方向是化学的

发展适应于改善人类健康和环境保护的要求。1997年底，德同联邦政府正式通过了一个名

为”为环境而研究”的计划，主要包括三个主题：区域性和全球性环境工程、实施可持续

发展的经济及进行环境教育．计划的年度预算达6亿美元，其中将实施可持续发展经济的

部分内容交给了化学工业。此外，德国联邦教育科学研究和技术部还与化学工业在研究、

技术开发、教育和创新等方面建立了正常的对话，可持续发展的化学被确定为这一对话固

定的主题之一。

在我国1995年中国科学院化学部组织的“绿色化学与技术——推进化工生产可持续发

展的途径”院士咨询活动，结合国内情况，提出了发展绿色化学与技术、消灭和减少环境

污染源的7条建议。1997年由国家自然科学基金委和中国石油化工总公司联合资助的“九

五”重大基础研究项目“环境友好石油化工催化化学与化学反应工程”正式启动，同年，

为迎接新世纪挑战的需要而制定的《国家重点基础研究发展规划》，亦将绿色化学的基础

研究项目作为支持的重要方向之一。此外， 一些院校也纷纷成立了绿色化学研究机构，

如中国科学技术大学绿色科技研究与开发巾心、四川大学绿色化学与技术研究中心等 ，

为解决现有生产工艺存在的环境问题奠定基础。

二、绿色化学的概念及特点

绿色化学又称环境无害化学（(Environmentally BenignChemistry）、环境友好化学

（Environmentally FriendlyChemistry）、清洁化学（Clean Chemistry)）。它是治本、

治根，是从根本上消除污染的对策。绿色化学是当今国际化学科学研究的前沿学科之一，

是一门具有明确社会需求和科学目标的新型交叉学科。

（一） 绿色化学的定义

绿色化学即是用化学的技术和方法去减少或消灭那些对人类健康 、社区安全 、生态

环境有害的原料 、催化剂 、溶剂和试剂、产物副产物等的使用和产生。绿色化学的理想

在于不再使用有毒、有害的物质，不再产生废物，不再处理废物。它主张在反应过程和化

工生产中就对环境友好，从根本上也即生产源头上消除污染。

（二）绿色化学的原则

在二十世纪九十年代美国科学家、绿色化学的倡导者们就出绿色化学的12条原则，这

些原则在许多论述中被多次引用，经过不断修正发展，这些原则可作为化学家开发和评估

一条合成路线、一个生产过程、一个化合物是不是绿色的指导方针和标准：

(1)防止废物的生成比在其生成后处理更好。(2)设计的合成方法应使生产过程中所采用的原料最大量地进入产品之中。(3)设计合成方法时，只要可能，不论原料、中间产物和最

终产品，均应对人体健康和环境无毒、无害。(4)设计的化学产品应在保持原有功效的同

时，尽量无毒或毒性很小。(5)应尽可能避免使用溶剂、分离试剂等助剂，如不可避免，

也要选用无毒无害的助剂。(6)合成方法必须考虑反应过程中能耗对成本与环境的影响，

应设法降低能耗．最好采用在常温常压下的合成方法。(7)在技术可行和经济合理的前提

下，采用可再生资源代替消耗性资源。(8)在可能的条件下，尽量不用不必要的衍生物。

(9)合成方法中采用高选择性的催化剂比使用化学计量助剂更优越。(10)化工产品要设计

成在终结其使用功能后．不会永存于环境中，要能分解成可降解的无害物质。(11)进一步

发展分析方法，对危险物质在生成前施行在线监测和控制。(12)一个化学过程中使用的物

质或物质的形态，应考虑尽量减小实验事故的潜在危险．如气体释放，爆炸和着火等。

这12条原则目前为国际化学界所公认．反映了近年来在绿色化学领域开展的多方面研

究工作的内容．同时也指明了未来发展绿色化学的方向。

（三）绿色化学的特点

从绿色化学的定义和原则来看，绿色化学在科学的观点上，是对传统化学思维方式的

更新和新发展；从环境观点看，是从源头上消除污染；从经济观点看，它合理利用资源和

能源，降低生产成本，符合经济可持续发展的要求。绿色化学的最大特点存于它是在始端

就采用实现污染预防的科学手段，因而过程和终端均为零排放或零污染。它研究污染的根

源、污染的本质在哪里，它不是去对终端或过程污染进行控制或进行处理。绿色化学关注

在现今科技手段和条件下能降低对人类健康和环境有负面影响的各个方面和各种类型的

化学过程，绿色化学主张在通过化学转换获取新物质的过程中充分利用每个原子具有原子

经济性，因此它既能够充分利用资源，又能够实现防止污染。

三、绿色化学的研究进展和实现途径

如何实现绿色化学的目标，是当前化学、化工界的热点问题。近年来，绿色化学的研

究主要是围绕原料、化学反应、催化剂、溶剂和产品的绿色化开展。

（一）采用原料的绿色化

1.利用可再生资源作为原料

目前的有机化学品及化学工业主要是基于不可更新的化石燃料——石油的基础上的。

石油工业的基础很好且效率较高，相对而言，可更新资源作为原料的工业基础远未建立、

且效率不尽如人意。但从长远的角度而言，寻找可更新的用于取代化石燃料的资源势在必

行。目前，相关的研究主要集中在农业生物质和二氧化碳等等．这些可更新资源的一个显著优点是具有极其广泛的来源。

生物质可理解为由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

废弃物、海产物(各种海草)和城市废弃物(报纸、天然纤维)等。生物质资源不仅储量丰富，

而且可以再生。据估计，作为植物生物质的最主要成分——木质素和纤维素每年以约1640

亿吨的速度不断再生。如以能量换算，相当于目前石油年产量的15—20倍。

生物质主要由淀粉及纤维素等组成，前者易于转化为葡萄糖，而后者则由于结晶及与

木质素共生等原因，通过纤维素酶等转化为葡萄糖，难度较大。国外有报道以葡萄糖为原

料，通过酶反应可制得己二酸、邻苯二酚和对苯二酚等，尤其是不需要从传统的苯开始来

制造作为尼龙原料的己二酸取得了显著进展。由于苯是众所周知的治癌物质，用经济和技

术上可行的方式，从合成大量的有机原料中去除苯是具有竞争力的绿色化学目标．

2.采用低毒或无毒害的原料

现有化工生产中往往使用剧毒的光气(COCI2 )和氢氰酸等作为原料，为了人类健康和

环境安全，需要用无毒无害的原料代替它们来生产所需的化工产品。在代替剧毒的光气作

原料生产有机化工原料方面，碳酸二甲酯(DMC)起到了重要的作用。DMC无毒而且在无光气

的环境中合成，如由甲醇和氧气或由甲醇与二氧化碳为原料合成。羰基化反应常用光气作

羰基化试剂，但光气剧毒、且生产过程中产生大量的氯化氢，既腐蚀设备，又污染环境，

用DMC代替剧毒的光气进行羰基化，可避免以上缺陷。

（二）采用化学反应的绿色化

1.开发原子经济性反应

美国斯坦福大学的B．M．Trost教授在1991年首次提出“原子经济性”的概念 。他认

为理想的原子经济性反应应该是原料分子中的原子百分之百地转化成为产物，不需要附加

或仅仅需要无损耗的促进剂，不产生副产物，实现废物的零排放。近年来，化学界发现并

发展了一些很好的原子经济性反应。国外科学家们开发了一种把环己烯直接用30％ 双氧

水氧化成己二酸的方法，只生成己二酸与水，产率为78％ 。这是一个不用有机溶剂和不

含卤素的绿色过程。

对于大宗基本有机原料的生产来说，选择原子经济反应十分重要。近年来，开发新的

原子经济反应已成为绿色化学研究的热点之一。

2.提高反应的选择性

该方面的研究主要集中在提高烃类氧化反应的选择性上。烃类氧化在石油化工中占有

极其重要的地位，用催化过程生产的各类有机品中，催化选择性氧化生产的产品约占25％。

烃类选择性氧化是强放热反应，目的产物大多是热力学上不稳定的中问化合物，在反应条