1、化學合成中的化學合成中的 綠色化學綠色化學綠色化學綠色化學B應用實例應用實例A基本概述基本概述C結語結語Part A基本概述基本概述綠色化學和綠色制藥工業綠色化學和綠色制藥工業 20世紀初，化學家提出了與傳統的世紀初，化學家提出了與傳統的“治理污治理污染染”不同的不同的“綠色化學綠色化學”的概念，即如何從源的概念，即如何從源頭上減少甚至消除污染的產生。頭上減少甚至消除污染的產生。 綠色化學綠色化學： 指設計和生指設計和生產沒有或者只產沒有或者只有盡可能小的有盡可能小的環境負作用并環境負作用并且在技術上和且在技術上和經濟上可行的經濟上可行的化學品和化學化學品和化學過程。過程。綠色制藥工業綠色制藥

2、工業：將綠色化學的原：將綠色化學的原理和技術運用于制藥工業，以達理和技術運用于制藥工業，以達到綠色工藝的要求。到綠色工藝的要求。綠色化學的綠色化學的1212條基本原理和特點條基本原理和特點 （1）預防（）預防（prevention) )（2）原子經濟性（原子經濟性（atom economy ) ) ( (3) ) 無害（或少害）的化學合成無害（或少害）的化學合成（4）設計無危險的化學品）設計無危險的化學品 （5）安全的溶劑和助劑）安全的溶劑和助劑 （6）設計要講求能效）設計要講求能效 （7）使用可再生的原料）使用可再生的原料 （8）減少衍生物）減少衍生物 ( (9) ) 催化作用催化作用（10

3、）設計要考慮降解）設計要考慮降解 （11）為了預防污染進行實時分析）為了預防污染進行實時分析 （12）防止事故發生的固有安全化學）防止事故發生的固有安全化學 TrostTrost提出，以原子利用率衡量反應的原子經濟性提出，以原子利用率衡量反應的原子經濟性。 Enichem公司開發的用鈦硅分子篩催化劑進行己酮肟化的新工藝,使環己酮轉化達99.9%。某些有機產品的生產,如甲醇碳化制醋酸、丙烯腈甲酰化制丁醛等,也都屬于“原子經濟”反應。 這說明人類已能在原子水平上進行化學品的合成,使化工生產更加高效、節能和綠色化原子經濟性 產品的質量產品的質量 原子利用率原子利用率= = X100% X100% 全

4、部反應物的質量全部反應物的質量采用無毒、無害的原料采用無毒、無害的原料 為使制得的中間體具有進一步轉化所需的官能團和反應性，在現有化工生產中仍使用劇毒的光氣和氫氰酸等作為原料。為了人類健康和社區安全。 需要用無毒無害的原料代替它們來生產所需的化工產品。在代替劇毒的光氣作原料生產有機化工原料方面有： Riley等報道了工業上已開發成功一種由胺類和二氧比碳生產異氰酸酯的新技術。 Tundo報道了用二氧化碳代替光氣生產碳酸二甲酯的新方法。 Komiya研究開發了在固態 熔融的狀態下。采用雙酚A和碳酸二甲酯聚合生產聚碳酸酯的新技術。它取代了常規的光氣合成路線。并同時實現了兩個綠色化學目標。一是不使用有

5、毒有害的原料，二是 由于反應在熔融狀態下進行。不使用作為溶劑的可疑的致癌物一甲基氯化物。 關于代替劇毒氫氰酸原料，Monsanto公司從無毒無害的二乙醇胺原料出發。經過催化蛻氫。開發了安全生產氨基二乙酸鈉的工藝，改變了過去的擬氨、 甲醛和氫氰酸為原料的二步合成路線。 采用無毒、無害的溶劑采用無毒、無害的溶劑 大量的與化學品制造相關的污染問題不僅來源于原料和產品，而且源自在其制造過程中使用的物質。當前廣泛使用的溶劑是揮發性有機化合物(VOC)。其在使用過程中有的會引起地面臭氧的形成。有的會引起水源污染。因此。需要限制這類溶劑的使用。 在無毒無害溶劑的研究中。最活躍的研究項目是開發超臨界流體（SC

6、F)。特別是超臨界二氧化碳作溶劑。超臨界二氧化碳是指溫度和壓力均在其臨界點 (3llC、7477.7gkPa)以上的二氧化碳流體。它通常具有液體的密度，它又具有氣體的粘度，因而又具有很高的傳質速度。超臨界二氧化碳的最大優點是無毒、不可燃、價廉等。 除采用超臨界溶劑外。還有研究水或近臨界水作為溶劑以及有機溶劑/水相界面反應。采用無溶劑的固相反應也是避免使用揮發性溶劑的一個研究動向，如用微波來促進固、固相有機反應。 采用無毒無害的催化劑采用無毒無害的催化劑 目前烴類的烷基他反應一般使用氧氟酸、硫酸、三氯化鋁等液體酸催化劑。這些液體催化劑目前烴類的烷基他反應一般使用氧氟酸、硫酸、三氯化鋁等液體酸催化

7、劑。這些液體催化劑共同缺點是，對設備的腐蝕嚴重、對人身危害和產生廢渣、共同缺點是，對設備的腐蝕嚴重、對人身危害和產生廢渣、 污染環境。為了保護環境。多年來國污染環境。為了保護環境。多年來國外正從分子篩、雜多酸、超強酸等新催化材料中大力開發外正從分子篩、雜多酸、超強酸等新催化材料中大力開發固體酸烷基化催化劑固體酸烷基化催化劑。 在固體酸烷基化的研究中，還應進一步提高催化劑的選擇性。以降低產品中的雜質含量在固體酸烷基化的研究中，還應進一步提高催化劑的選擇性。以降低產品中的雜質含量; 提高提高催化劑的穩定性，以延長運轉周期催化劑的穩定性，以延長運轉周期;以提高經濟效益。以提高經濟效益。 異丁異丁 烷

8、與丁烯的烷基化是煉油工業申提供高辛烷值組分的一項重要工藝。近年新配方汽油的烷與丁烯的烷基化是煉油工業申提供高辛烷值組分的一項重要工藝。近年新配方汽油的出現，限制汽油中芳烴和烯烴含量更增添了該工藝的重要性。目前這種工藝使用氫氟酸或硫酸為出現，限制汽油中芳烴和烯烴含量更增添了該工藝的重要性。目前這種工藝使用氫氟酸或硫酸為催化劑。催化劑。利用可再生的資源合成化學品利用可再生的資源合成化學品 利用利用生物量生物量(生物原料生物原料)(Biomass)代替當前廣泛使用的石油，是保護環境的一個長遠的代替當前廣泛使用的石油，是保護環境的一個長遠的發展方向。發展方向。1996年美國總統綠色化學挑戰獎中的學術獎

9、授予年美國總統綠色化學挑戰獎中的學術獎授予TaxaA大學大學M. Holtzapp教授，教授，就是南于其開發了一系列技術。把廢生物質轉化成動物飼料、工業化學品和然料。就是南于其開發了一系列技術。把廢生物質轉化成動物飼料、工業化學品和然料。 物質主要由淀粉及紆維素等組成。前者易于轉化為葡萄糖。而后者則由于結晶及與木物質主要由淀粉及紆維素等組成。前者易于轉化為葡萄糖。而后者則由于結晶及與木質素共生等原因，通過纖維素酶等轉比為葡萄糖，難度較大。質素共生等原因，通過纖維素酶等轉比為葡萄糖，難度較大。Frost 報道以葡萄糖為原料，報道以葡萄糖為原料，通過酶反應可制得通過酶反應可制得己二酸、鄰苯二酚和對

10、苯二酚己二酸、鄰苯二酚和對苯二酚等。尤其是不需要從傳統的苯開始采制運等。尤其是不需要從傳統的苯開始采制運作為尼龍原料的己二酸取得了顯著進展。作為尼龍原料的己二酸取得了顯著進展。 另外另外,Gfoss首創了利用生物或農業廢物如多糖類制造新型聚合物的工作。由于其同時首創了利用生物或農業廢物如多糖類制造新型聚合物的工作。由于其同時解決了多個環保問題，因此引起人們的特別興趣。具優越性在于聚解決了多個環保問題，因此引起人們的特別興趣。具優越性在于聚 合物原料單體實現了合物原料單體實現了無害化無害化;生物催化轉化方法優于常規的聚合方法，生物催化轉化方法優于常規的聚合方法，Gross的聚合物還具有生物降解功

11、能。的聚合物還具有生物降解功能。 Part B應用實例應用實例甲醇羰基化法合成乙酸甲醇羰基化法合成乙酸 丁烷液相氧化制乙酸丁烷液相氧化制乙酸乙醛氧化法乙醛氧化法1.乙酸合成乙酸合成 1968年美國年美國Monsanto公司的公司的Paulick 和和Roth發現了新的可溶性發現了新的可溶性羰羰基銠基銠-碘化物碘化物催化劑體系。它們對甲醇羰基化合成乙酸有更高的催化活性催化劑體系。它們對甲醇羰基化合成乙酸有更高的催化活性和選擇性（和選擇性（催化速催化速1.1103molAcOH/molRhh, 羰基化選擇性大于羰基化選擇性大于99%。）；反）；反應條件變得十分緩和，反應溫度降至應條件變得十分緩和，

12、反應溫度降至175200 oC，反應壓力降至，反應壓力降至6 MPa以下，產物以甲醇計收率為以下，產物以甲醇計收率為99%。 意義：意義： 從工業生產上實現了原子經濟反應，成為近代羰基合成技術發展從工業生產上實現了原子經濟反應，成為近代羰基合成技術發展道路上的里程碑；道路上的里程碑； 消除了氧化法合成乙酸的環境污染問題；消除了氧化法合成乙酸的環境污染問題； 開辟了可以不依賴石油和天然氣為原料的合成路線。開辟了可以不依賴石油和天然氣為原料的合成路線。 我國中科院化學所蔣大智等對甲醇羰我國中科院化學所蔣大智等對甲醇羰基化合成乙酸的催化劑和催化反應體系進基化合成乙酸的催化劑和催化反應體系進行改進，他

13、們采用行改進，他們采用高分子負載型銠催化劑高分子負載型銠催化劑，使催化反應速度明顯提高，達到了使催化反應速度明顯提高，達到了1.26.6103 molAcOH/molRhh, 時空時空產率高達產率高達15mol/L，羰基化產物選擇性保，羰基化產物選擇性保持在持在99%以上，形成具有自己特色的催化以上，形成具有自己特色的催化反應體系。反應體系。 2.替代氫氰酸的合成替代氫氰酸的合成 美國美國Shell公司用丙炔、甲醇為原料，鈀催化體公司用丙炔、甲醇為原料，鈀催化體系存在下化合成甲基丙烯酸甲酯。是環境友好的。系存在下化合成甲基丙烯酸甲酯。是環境友好的。 氫氰酸是常用的化工原料，有機玻璃的單體氫氰酸

14、是常用的化工原料，有機玻璃的單體-甲基甲基丙烯酸甲酯傳統的合成方法要以氫氰酸為原料。丙烯酸甲酯傳統的合成方法要以氫氰酸為原料。 原子利用率原子利用率31%原子利用率原子利用率76%4.4.環己酮肟的合成環己酮肟的合成 傳統的拉西法是：將氨經空氣催化氧化生成傳統的拉西法是：將氨經空氣催化氧化生成N2O3，用碳酸銨溶液吸收用碳酸銨溶液吸收N2O3 ，生成亞硝酸銨，然后用二氧，生成亞硝酸銨，然后用二氧化硫還原，生成羥胺二磺酸鹽，再水解得羥胺硫酸鹽：化硫還原，生成羥胺二磺酸鹽，再水解得羥胺硫酸鹽： 制備羥胺無機鹽還有多種方法，但所有這些方法的選制備羥胺無機鹽還有多種方法，但所有這些方法的選擇性都較差，

15、而且生成大量副產物。擇性都較差，而且生成大量副產物。 以上述的拉西法為例，每生產以上述的拉西法為例，每生產1t己內酰胺就要產生己內酰胺就要產生2.8t硫酸銨。這樣大量的硫酸銨鹽生成是工廠難以處理的問題，硫酸銨。這樣大量的硫酸銨鹽生成是工廠難以處理的問題，同時生產過程長、能耗也高同時生產過程長、能耗也高 。環己酮肟的合成環己酮肟生產環己酮肟生產新方法新方法 意大利埃尼集團采用意大利埃尼集團采用30%過氧化氫水溶液過氧化氫水溶液,在叔丁醇等溶液中，在叔丁醇等溶液中，以鈦硅分子篩（以鈦硅分子篩（TS-1）為催化劑，進行環己酮氨氧化反應）為催化劑，進行環己酮氨氧化反應 。 環己酮轉化率環己酮轉化率99

16、.9%，環己酮肟選擇性，環己酮肟選擇性98.2%，過氧化氫利，過氧化氫利用率為用率為93.2%，新的生產過程不生成硫酸銨。，新的生產過程不生成硫酸銨。 5.從葡萄糖合成從葡萄糖合成鄰苯二酚鄰苯二酚OHOHOHH+O2OHOHH2O2+C a t.B enzene6.從葡萄糖合成己二酸從葡萄糖合成己二酸OHON2OO2HNO3+H2OOHOOHNi或PdCatCu,NH4VO3adipic acid+ Draths Draths和和FrostFrost已經研制出另一種基因修飾的已經研制出另一種基因修飾的大腸桿菌，可抑制大腸桿菌，可抑制DHSDHS（一種抗氧化劑（一種抗氧化劑BHTBHT的潛在的潛

17、在替代物）和鄰苯二酚的進一步反應，故可將這些替代物）和鄰苯二酚的進一步反應，故可將這些化合物作為產品分離出來。化合物作為產品分離出來。 因此，從葡萄糖出發通過生物合成因此，從葡萄糖出發通過生物合成DHSDHS和鄰苯和鄰苯二酚的合成路線與傳統合成方法相比，不僅可利二酚的合成路線與傳統合成方法相比，不僅可利用再生資源，而且可以避免有毒的苯及其加工過用再生資源，而且可以避免有毒的苯及其加工過程中生成的程中生成的N N2 2O O等造成的環境影響和對人體健康的等造成的環境影響和對人體健康的危害。危害。 7.非光氣法合成異氰酸酯非光氣法合成異氰酸酯 Monsanto公司的Rilly等研究了用二氧化碳和胺

18、直接生成異氰酸酯和氨基甲酸酯并成功開發出合成聚氨基甲酸酯的新方法。在有機堿存在下生成氨基甲酸酯陰離子，再在脫水劑例如醋酸酐或鄰磺酸基苯甲酸存在下脫水生成異氰酸酯：生成的醋酸加熱脫水后又可回收醋酐循環使用。 日本旭化成公司和美國杜邦公司開發了用一氧化碳和胺直接氧化羰化合成氨基甲酸酯，然后分解生成異氰酸酯的方法。 其關鍵是研制成功了活性高、選擇性好的氧化羰化催化劑，使反應過程生成副產物減少，第二步熱分解反應副產物也很少，異氰酸酯收率高，聚合很少發生。生成的甲醇可循環使用，此方法已用于工業生產。 新方法新方法 8.8.芐氯羰化合成苯乙酸芐氯羰化合成苯乙酸 由于要使用大量劇毒的氫氰酸，因此生由于要使用

19、大量劇毒的氫氰酸，因此生產過程極不安全。同時排放的廢物中難免不產過程極不安全。同時排放的廢物中難免不含有氰化物，因而對環境的影響亦嚴重。含有氰化物，因而對環境的影響亦嚴重。 新方法新方法 此反應在水和有機物組成的兩相體系中進行，此反應在水和有機物組成的兩相體系中進行，加入相轉移催化劑四丁基溴化銨等，促進反應加快。加入相轉移催化劑四丁基溴化銨等，促進反應加快。 用一氧化碳代替氫氰酸不僅避免使用劇毒原料，用一氧化碳代替氫氰酸不僅避免使用劇毒原料，而且原料成本也大大降低。而且原料成本也大大降低。 這一反應不產生對環境有害的物質，反應后這一反應不產生對環境有害的物質，反應后除生成氯化鈉外，基本上無其他

20、副產物生成。除生成氯化鈉外，基本上無其他副產物生成。9.硝酸鈰銨硝酸鈰銨 硝酸鈰銨是一種氧化性很強的橘扛色絡臺物硝酸鈰銨是一種氧化性很強的橘扛色絡臺物,屬屬于綠色化學品于綠色化學品,主要用作有機合成的催化劑、硝化劑主要用作有機合成的催化劑、硝化劑,氧化劑、聚合反應的引發劑。氧化劑、聚合反應的引發劑。 硝酸鈰銨在有機合成中的應用硝酸鈰銨在有機合成中的應用,可以降低引發劑重鉻可以降低引發劑重鉻酸鉀的用量酸鉀的用量,減少鉻的環境污染減少鉻的環境污染.作為催化劑作為催化劑,氧化劑和氧化劑和引發劑引發劑,硝酸飾銨具有反應活性高、反應條件溫和硝酸飾銨具有反應活性高、反應條件溫和,反反應速度快、時間短應速度

21、快、時間短,產率高、選擇性好、用量少、毒性產率高、選擇性好、用量少、毒性低、污染小等優點。低、污染小等優點。傳統工藝合成硝酸鈰銨傳統工藝合成硝酸鈰銨Ce2(CO3)3+ 6HNO3= 2Ce(NO3)3+ 3CO2+3H2O(1)2Ce2(NO3)3+ 3H2O2+ 4H2O= 2Ce(OH)3OOH+6HNO3(2)HNO3+ NH3H2O= NH4NO3+ H2O(3)2Ce2(OH)3OOH= 2Ce(OH)4+ O2(4)Ce(OH)4+ 6HNO3= H2Ce(NO3)6+ 4H2O(5)H2Ce(NO3)6+ 2NH4NO3=(NH4)2 Ce(NO3)6+2HNO3(6) 由此可

22、知由此可知,在傳統工藝合成硝酸鈰銨的過程中在傳統工藝合成硝酸鈰銨的過程中,在合成氫氧化鈰時在合成氫氧化鈰時,產生硝酸銨廢液污染產生硝酸銨廢液污染;在熱在熱的濃硝酸溶解前驅體氫氧化鈰時的濃硝酸溶解前驅體氫氧化鈰時,產生硝酸霧和二氧化氮污染產生硝酸霧和二氧化氮污染; 同時同時,產生副產物氧氣、水和二氧化碳。因此產生副產物氧氣、水和二氧化碳。因此,在工業生產中該工藝方法存在資源消耗大在工業生產中該工藝方法存在資源消耗大,生生產成本高產成本高,環境污染嚴重環境污染嚴重,作業條件差等不足作業條件差等不足綠色化學工藝綠色化學工藝Ce2(CO3)3+ 6HAc= 2CeAc3+ 3CO2+ 3H2O(7)2

23、CeAc3+ 3H2O2+ 4H2O= 2Ce(OH)3OOH+ 6HAc(8)HAc+ NaOH= NaAc+ H2O(9)2Ce(OH)3OOH= 2Ce(OH)4+ O2(10)Ce(OH)4+ 6HNO3= H2Ce(NO3)6+ 4H2O(11)H2Ce(NO3)6+ 2NH4NO3=(NH4)2 Ce(NO3)6+2HNO3(12) 由此可知由此可知,綠色化學工藝合成硝酸鈰銨的過程中綠色化學工藝合成硝酸鈰銨的過程中,選用對環境不產生危害的碳酸鈰、乙酸、過氧化選用對環境不產生危害的碳酸鈰、乙酸、過氧化氫和氫氧化鈉為原料氫和氫氧化鈉為原料,反應體系為乙酸體系反應體系為乙酸體系,最后獲得

24、氫氧化鈰與乙酸鈉兩種綠色產品最后獲得氫氧化鈰與乙酸鈉兩種綠色產品,只有少量的對只有少量的對自然環境影響較輕的二氧化碳和氧氣未能利用自然環境影響較輕的二氧化碳和氧氣未能利用,不產生廢水和廢渣不產生廢水和廢渣,實現了實現了“零排放零排放”,乙酸鈉廣泛用乙酸鈉廣泛用于制藥工業、染料工業、飼料工業、化學試劑、貯熱材料等領域于制藥工業、染料工業、飼料工業、化學試劑、貯熱材料等領域,具有廣闊的市場前景具有廣闊的市場前景綠色化學工藝與傳統工藝的對比綠色化學工藝與傳統工藝的對比傳統工藝合成硝酸鈰銨的總方程式為傳統工藝合成硝酸鈰銨的總方程式為:Ce2(CO3)3+ 14HNO3+ 3H2O2+ 6NH3H2O+

25、 4NH4NO3= 2(NH4)2Ce(NO3)6+ 6NH4NO3+ O2+ 3CO2+ 13H2O(12)綠色化學工藝的總方程式為綠色化學工藝的總方程式為:Ce2(CO3)3+ 6HAc+ 3H2O2+ 6NaOH+ 8HNO3+4NH4NO3= 2(NH4)2Ce(NO3)6+ 6NaAc+ O2+ 3CO2+13H2O(13)結論 從從上上表可知表可知,傳統工藝的原子利用率和原子效率傳統工藝的原子利用率和原子效率因于分別為因于分別為40.23%和和55.52%,綠色綠色化學工藝的原子利用率和原子效率因子分別為化學工藝的原子利用率和原子效率因子分別為70.24%和和79.96%,與傳統的

26、工藝相比與傳統的工藝相比,綠色化學工藝的原子利用率提高綠色化學工藝的原子利用率提高30.01個百分點個百分點,原子效率因子提高原子效率因子提高24.44個白分點個白分點,大大幅度地提高了資源的利用率。幅度地提高了資源的利用率。 充分說明充分說明,綠色化學工藝合成硝酸鈰銨對環境的影響遠遠小于傳統工藝。綠色化學工藝合成硝酸鈰銨對環境的影響遠遠小于傳統工藝。變更合成路線獎變更合成路線獎改變反應條件獎改變反應條件獎學術獎學術獎小企業獎小企業獎設計更安全化學品獎設計更安全化學品獎總統綠色化學挑戰獎10.阿瑞匹坦的原子經濟性合成新工藝阿瑞匹坦的原子經濟性合成新工藝 生產商：生產商：Merck & Co.Inc.公司公司藥效藥效 :預防及控制化療所致的惡心及嘔吐，還有治療急迫性尿失禁的潛力。預防及控制化療所致的惡心及嘔吐，還有治療急迫性尿失