第一章绿色化学精选文档.ppt
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1、第一章绿色化学本讲稿第一页,共四十六页2023/1/82课程主要内容课程主要内容l 绿色化学和绿色化工绿色化学和绿色化工;l工业有机合成的化学基础(按反应机理对反应进行分类);工业有机合成的化学基础(按反应机理对反应进行分类);l合成工艺影响因素(温度、压力、催化剂、浓度、溶剂等对工业有机合成反应的影响);合成工艺影响因素(温度、压力、催化剂、浓度、溶剂等对工业有机合成反应的影响);l均相、多相和酶催化反应(催化反应的特征、机理、应用范围,工业上对催化剂的要求等);均相、多相和酶催化反应(催化反应的特征、机理、应用范围,工业上对催化剂的要求等);l相转移催化作用(相转移催化原理及其在工业中的应
2、用);相转移催化作用(相转移催化原理及其在工业中的应用);l溶剂效应(溶剂对反应的影响);溶剂效应(溶剂对反应的影响);l有机光化学合成(光化学理论基础、合成反应的影响因素);有机光化学合成(光化学理论基础、合成反应的影响因素);l有机电化学合成(有机电化学合成原理、特征,及其工业应用);有机电化学合成(有机电化学合成原理、特征,及其工业应用);l辐射化学(辐射化学基本原理,辐射化学反应的影响因素,辐射化学在精细化工中的应辐射化学(辐射化学基本原理,辐射化学反应的影响因素,辐射化学在精细化工中的应用);用);l生物质化学化工(可再生资源的结构与性能,改性方法,生物质资源在精细化工中生物质化学化
3、工(可再生资源的结构与性能,改性方法,生物质资源在精细化工中应用)。应用)。本讲稿第二页,共四十六页2023/1/83第一章绿色化学和绿色化工第一章绿色化学和绿色化工本讲稿第三页,共四十六页2023/1/84化工产品的化工产品的c.klinec.kline分类分类 无差别产品无差别产品 有差别产品有差别产品 固固定定资资产产投投资资大大 小小 通用化学品通用化学品如硫酸、碳酸钠、如硫酸、碳酸钠、烯烃、芳烃等烯烃、芳烃等 有差别的通用有差别的通用化学品化学品如合成树脂、合成橡如合成树脂、合成橡胶、合成纤维、表面胶、合成纤维、表面活性剂等活性剂等 精细化学品精细化学品如中间体、医药和农如中间体、医
4、药和农药的原药等药的原药等 专用化学品专用化学品如医药成药、农药配如医药成药、农药配剂、各种助剂、水处剂、各种助剂、水处理剂等理剂等科科技技开开发发投投资资低低 高高本讲稿第四页,共四十六页2023/1/85工业化学品的特征工业化学品的特征 特征特征 通用化学品通用化学品 精细化学品精细化学品 专用化学品专用化学品 生产周期生产周期 长(大于长(大于30年)年)中等中等 短短生产规模生产规模 大于大于10万吨万吨/年年 小于小于1万吨万吨/年年 不定不定生产范围生产范围 窄窄 很宽很宽 很宽很宽产品价格产品价格$5/Kg$10/Kg 不定不定产品差别产品差别 不存在不存在 较小较小 较大较大服
5、务差别服务差别 低低 中中 大大附加值附加值 小小 高高 中中/高高R&D重点重点 工艺改进工艺改进 工艺开发工艺开发 产品开发产品开发 本讲稿第五页,共四十六页2023/1/861978年年,美国商业部工业经济局曾发表关于美国商业部工业经济局曾发表关于石油化工投入产出资料石油化工投入产出资料投入石油化工原料投入石油化工原料 50 50亿美元亿美元 :l产生脂肪烃、芳香烃等初级化学品产生脂肪烃、芳香烃等初级化学品 1 0 0 1 0 0亿美元亿美元l加工成烯烃、乙二醇、对苯二甲酸和苯胺等有机中间体加工成烯烃、乙二醇、对苯二甲酸和苯胺等有机中间体2 0 02 0 0亿亿美元美元 l进一步加工成树
6、脂、橡胶和纤维等进一步加工成树脂、橡胶和纤维等 400 400亿美元亿美元l最后制成农药配剂、医药成药、纺织品、印刷最后制成农药配剂、医药成药、纺织品、印刷 品和汽车材料等其总产出品和汽车材料等其总产出 5300 5300亿美元。亿美元。本讲稿第六页,共四十六页2023/1/87 发达国家化学工业发展方向是大力发展精细化工发达国家化学工业发展方向是大力发展精细化工,即大幅即大幅度提高精细化学品比重和大力开发专用化学品。度提高精细化学品比重和大力开发专用化学品。瑞士瑞士CIBACIBA公司精细化工率超过公司精细化工率超过85%85%。DupontDupont经营战略为:经营战略为:近期目标发展通
7、用化学品(成本、市场竞争力)近期目标发展通用化学品(成本、市场竞争力)中期目标扩大专用化学品中期目标扩大专用化学品 远期目标发展生命科学制品远期目标发展生命科学制品本讲稿第七页,共四十六页2023/1/88工业化学品对生态环境的影响化工产品生产规模与环境因子化工产品生产规模与环境因子 类别类别 生产规模生产规模/环境因子环境因子 (副产物(副产物/主产物)主产物)炼油产品炼油产品 106 108 0.1 大宗化学品大宗化学品 104 106 1 5 精细化学品精细化学品 102 104 5 50 药物药物 10 103 2 5 1 0 0以上以上 精细化工生产对生态环境造成的影响最为突出精细化
8、工生产对生态环境造成的影响最为突出精细化工生产对生态环境造成的影响最为突出精细化工生产对生态环境造成的影响最为突出 。本讲稿第八页,共四十六页2023/1/89绿色化学和绿色化工绿色化学和绿色化工 绿色化学(Green Chemistry)环境无害化学 环境友好化学 清洁化学 绿色化学,即如何从源头上减少、甚至消除污染的产生。其目标为任何一个化绿色化学,即如何从源头上减少、甚至消除污染的产生。其目标为任何一个化学的活动,包括使用的化学原料、化学和化工过程、以及最终的产品,对人类学的活动,包括使用的化学原料、化学和化工过程、以及最终的产品,对人类的健康和环境都应该是友好的。的健康和环境都应该是友
9、好的。绿色化工:在其基础上发展的化工技术和化工生产实践本讲稿第九页,共四十六页2023/1/810 1 1、防止防止废物的产生而不是产生后再来处理或清理;废物的产生而不是产生后再来处理或清理;2 2、合成方法应设计成能将所有的、合成方法应设计成能将所有的起始物质嵌入到最终产起始物质嵌入到最终产 物中物中;3 3、只要可能,、只要可能,合成方法合成方法应被设计成能使用和产生对人类健康和环境应被设计成能使用和产生对人类健康和环境无毒或毒性很小的物质;无毒或毒性很小的物质;4 4、设计的、设计的化学产品化学产品应在保护原有功效的同时尽量使其无毒或毒应在保护原有功效的同时尽量使其无毒或毒性很小;性很小
10、;5 5、尽量、尽量不使用辅助性物质不使用辅助性物质(如溶剂、分离试剂等),如果一定要用,(如溶剂、分离试剂等),如果一定要用,也应使用无毒物质;也应使用无毒物质;6 6、能量消耗越小越好能量消耗越小越好,应能为环境和经济方面的考虑所接受;,应能为环境和经济方面的考虑所接受;绿色化学的绿色化学的12条原理条原理 本讲稿第十页,共四十六页2023/1/811 7 7、只要技术上和经济上可行,使用的、只要技术上和经济上可行,使用的原材料应是能再生原材料应是能再生的;的;8 8、应尽量、应尽量避免避免不必要的不必要的衍生过程衍生过程(如基团的保护,物理与化学过程(如基团的保护,物理与化学过程的临时性
11、修改等);的临时性修改等);9 9、尽量、尽量使用选择性高的催化剂使用选择性高的催化剂,而不是提高反应物的配料比;,而不是提高反应物的配料比;1010、设计化学产品设计化学产品时,应考虑当该物质完成自己的功能后,不再滞留时,应考虑当该物质完成自己的功能后,不再滞留于环境中,而可于环境中,而可降解为无毒的产品降解为无毒的产品;1111、分析方法分析方法也需要进一步研究开发,使之能做到实时、现场监控,也需要进一步研究开发,使之能做到实时、现场监控,以防有害物质的形成;以防有害物质的形成;1212、化学过程中使用的物质或物质的形态,应考虑尽量、化学过程中使用的物质或物质的形态,应考虑尽量减少实验事故
12、的减少实验事故的潜在危险潜在危险,如气体释放、爆炸和着火等。,如气体释放、爆炸和着火等。绿色化学的绿色化学的1212条原则条原则 本讲稿第十一页,共四十六页2023/1/812无毒无害原料无毒无害原料可再生资源可再生资源环境友好产品环境友好产品 回归自然回归自然废物回收利用废物回收利用无毒无害无毒无害催化剂催化剂 无毒无无毒无害溶剂害溶剂原子经济反应原子经济反应绿色化学的主要内容绿色化学的主要内容本讲稿第十二页,共四十六页2023/1/813原子经济性原子经济性l为了衡量合成的效率,为了衡量合成的效率,19911991年美国著名有机化学家年美国著名有机化学家TrostTrost提出原提出原子经
13、济性(子经济性(atom economy)atom economy)概念,并将它与选择性一起归结为合概念,并将它与选择性一起归结为合成效率的两个方面。认为高效的有机合成应最大限度地利用原成效率的两个方面。认为高效的有机合成应最大限度地利用原料分子的每一个原子,使之结合到目标分子中,达到零排放。料分子的每一个原子,使之结合到目标分子中,达到零排放。A B C D A B C 预期产物的分子量预期产物的分子量生成物质的原子量总合生成物质的原子量总合原子利用度(原子利用度(%)=100100产物废物或副废物或副产物产物废物为零本讲稿第十三页,共四十六页2023/1/814E-E-因子因子 E(nvi
14、ronmental)FactorE(nvironmental)Factor每生产每生产1 1公斤产品公斤产品产生硫酸铬、氯化铵、氯化亚铁、硫酸氢钾等产生硫酸铬、氯化铵、氯化亚铁、硫酸氢钾等副产物副产物4040公斤公斤 E-E-因子因子 =40=40lSheldonSheldon提出提出原子利用原子利用(atom utilization)(atom utilization),原子效率原子效率(atom(atom efficiency)efficiency)和和E-E-因子概念因子概念。提出用。提出用E-E-因子,即生产每千克产品因子,即生产每千克产品所产生的废弃物来衡量化工流程的排放量。所产生的
15、废弃物来衡量化工流程的排放量。本讲稿第十四页,共四十六页2023/1/815E-E-因子因子 E(nvironmental)FactorE(nvironmental)Factor原子利用度原子利用度=126/(126+392+272+1143+160.5+44+144)X100=5.5%=126/(126+392+272+1143+160.5+44+144)X100=5.5%理论:理论:E-E-因子因子=94.5/5.5=17=94.5/5.5=17实际:实际:E-E-因子因子=40=40原子利用度和原子利用度和E-E-因子已成为一个化工过程因子已成为一个化工过程绿色程度的衡量标准绿色程度的衡
16、量标准本讲稿第十五页,共四十六页2023/1/816有机合成中常见反应的原子经济性(有机合成中常见反应的原子经济性(1 1)加成反应:加成反应:例:烯烃的催化加氢:例:烯烃的催化加氢:可用通式表示为:可用通式表示为:A A B C B C 原子利用率达到100 CHCH3 3CH=CHCH=CH2 2 +H+H2 2CHCH3 3CHCH2 2CHCH3 3NiNi例:例:Michael(Michael(迈克尔迈克尔)反应反应:原子利用率达到原子利用率达到100100 本讲稿第十六页,共四十六页2023/1/817Diels-AlderDiels-Alder反应反应:D-AD-A反应亦称双烯合
17、成(反应亦称双烯合成(diene synthesis),diene synthesis),是制备环状化合物应用最广泛的合成方法之一,也是形是制备环状化合物应用最广泛的合成方法之一,也是形成碳碳键的重要方法。成碳碳键的重要方法。(不对称D-A反应)原子利用率:82/(28+54)100=100%D-AD-A反应是一个原子经济性的反应反应是一个原子经济性的反应例1.例2.有机合成中常见反应的原子经济性(有机合成中常见反应的原子经济性(2 2)本讲稿第十七页,共四十六页2023/1/818 重排反应:例:例:ClaisenClaisen重排:重排:重排反应可用通式表示为:重排反应可用通式表示为:AB
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