绿色化学原理与方法.ppt
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1、第十二章第十二章 绿色化学原理与方法绿色化学原理与方法Chapter 1212.1绿色化学绿色化学概念与原则概念与原则12.2 绿色化学绿色化学方法与应用方法与应用绿色化学基本概念绿色化学原则安全化学品设计方法绿色化学应用12.1 绿色化学基本概念与原则绿色化学基本概念与原则12.1.1 绿色化学的基本概念绿色化学的基本概念绿色化学的产生背景绿色化学的产生背景环境、资源问题是影响当今人类社会、经济发展的首要问题。环境问题:环境问题:人类社会面临的主要环境问题包括:全球气候变暖;臭氧层破坏;光化学污染与大气污染;水污染;酸雨;土地荒漠化;森林破坏;生物多样性锐减。资源问题:煤炭、石油等能源的不可
2、再生性;土地矿产资源的非理性使用;生物资源日益递减。健康问题:医药与保健Global Warming(全球气候变暖)(全球气候变暖)The increase of Green House gas concentration is the main cause.主因:温室气体浓度增加Main Green House Gases:CO2,NOx,CH4,Halogenides.Human Activities are the origin of these gases.(温室气体来源于人类活动):Industry(工业制造)Transportation(交通运输)Cooking(烹调)Lighti
3、ng(照明)Warming(取暖)They adsorb heat from the sun,and keep them,resulting in the increase of earth temperature.In the mid-21,the average temperature on the surface of the earth will have an increment of about 1.4 1.5.吸热 温度升高Global Warming Consequences:The ice on the South Pole and North Pole will melt
4、with accelerated speed,the sea level will have a continous rise.两极冰川加速融化,海平面上升。In our country,the rise of sea level,0.14-0.20 cm/year.Depletion of ozone layer(臭氧层破坏)Ozone Layer refers to the ensemble of ozone collected in the atmosphere 15-50 km above the surface.Ozone which adsorbs violet rays(295-
5、320 nm)is naturally protective for our earth from the sun and makes our life possible.臭氧吸收紫外线,保护人类生存环境 Halogenides and NOx could destroy the ozone layer.化学排放物破坏臭氧层 Consequences不良后果:Reduction of immunity;Increment of cancer and cataract patient;Decrease in production and quality on plant.Air Pollutio
6、nCarbon monoxideCarbon dioxideSulfur oxides HydrocarbonsNitrogen oxides Dust of soil,pollen,coal ash,etc pollute directly the air(粉尘、煤灰、花粉等)(粉尘、煤灰、花粉等).The harmful contents of the dusts:Pb,Hg,Cd,Ni and other heavy metals.酸雨、环境健康植物枯死古迹浸蚀 Water Pollution(水污染)Water is essential for us!Water is polluted
7、 by Industrial waste water Daily life waste water Mine waste water Transportation waste water Farmland waste water Acid rain工业废水、生活废水、选矿废水、运输废水、农产加工废水、酸雨 Shortage of energy resources(能源短缺)Oil:exploitable for about 40 yearsNatural gas:about 60 yearsCoal:about 220 years占世界占世界5%人口的美国,占世界年石油消耗量的人口的美国,占世
8、界年石油消耗量的26%!工业化与现代文明工业化与现代文明可持续发展可持续发展What our descendants will use?Within 20 century,the population augmented for 3 times,while the energy consumption augmented for 10 times.(20世纪世纪,人口增加了人口增加了3倍倍,但能源消耗增长了但能源消耗增长了10倍倍)Energy resources IS non-renewable.The ideas of sustainable development The protect
9、ion of environment is considered as one important component of development.(环保环保)The equal opportunities to develop for different generations are emphasized.(代际之间机会均等)(代际之间机会均等)Appealing to change the traditional manner of production and consumption.(改变传统生产消费方式)(改变传统生产消费方式)Demanding the construction
10、 of new criteria for morality and values.(建立新的道德和价值观,改变对建立新的道德和价值观,改变对自然的态度自然的态度)Winston Churchill(丘吉尔):The optimist sees opportunities in every danger,the pessimist sees danger in every opportunity.What to do?两型社会低碳经济环境能源资源绿色化学气候变暖空气污染绿色化学就是把化学知识、化学技术和化学方法应用于所有绿色化学就是把化学知识、化学技术和化学方法应用于所有化学品和化学过程,以减少
11、或消除运用对人类健康和对环境化学品和化学过程,以减少或消除运用对人类健康和对环境有害的反应原料、反应过程、反应产物、反应溶剂,并尽可有害的反应原料、反应过程、反应产物、反应溶剂,并尽可能不生成副产物,更加充分地利用资源,以适应社会可持续能不生成副产物,更加充分地利用资源,以适应社会可持续发展的需要。发展的需要。绿色化学的概念绿色化学的概念绿色化学的战略意义绿色化学的战略意义1.从资源和环境的观点资源和环境的观点看,绿色化学提供有效合理利用自然资源的原理和方法,从化学反应源头上消除污染,而不是治理污染的原理和方法。2.从经济的观点经济的观点看,绿色化学提供充分利用资源和能源,降低生产成本,符合可
12、持续发展的原理和方法。3.从科学的观点科学的观点看,绿色化学是对传统化学基础内容的革新,既要求设计环境友好、经济可行的绿色产品,又要求符合化学反应的原子经济性。Environmentally Benign Chemistry (环境无害化学)Environmentally Friendly Chemistry (环境友好化学)Clean Chemistry(清洁化学)Atom Economy and Benign by Design Chemistry (原子经济和无害设计化学)Green Chemistry(1995,美国化学会,绿色化学;同年,美国政府设立“总统绿色化学奖”。)Noyori
13、:Without Green Chemistry,chemical manufacturing will be unable to survive into the 22nd century.闵恩泽院士:绿色化学是化学工业可持续发展必由之路。闵恩泽院士:绿色化学是化学工业可持续发展必由之路。绿色化学十二原则绿色化学十二原则1.It is better to prevent waste than to treat or clean up waste after it is formed(预防优于治理)预防优于治理)2.Synthetic methods should be designed to
14、 maximize the incorporation of all materials used in the process into the final product(优化合成方法,最大限度提高原子经济性)优化合成方法,最大限度提高原子经济性)3.Wherever practicable,synthetic methodologies should be designed to use and generate substances that possess little or no toxicity to human health and the environment(优化合成方法
15、学,尽可能使用、产生对人类健康和环境无毒(优化合成方法学,尽可能使用、产生对人类健康和环境无毒无害的物质)无害的物质)4.Chemical products should be designed to preserve efficacy of function while reducing toxicity.(设计既保持功效又尽可能降低毒性的化学产品)(设计既保持功效又尽可能降低毒性的化学产品)5.The use of auxiliary substances(e.g.solvents,separation agents)should be made unnecessary wherever
16、possible and innocuous when used.(尽可能不使用辅助物质,如须使用也应无毒害)(尽可能不使用辅助物质,如须使用也应无毒害)6.Energy requirements should be recognized for their environmental and economical impacts and should be minimized.(在考虑环境与经济效益的同时,尽可能使能耗最低)(在考虑环境与经济效益的同时,尽可能使能耗最低)7.A raw material or feed stock should be renewable rather tha
17、n depleting,wherever technically and economically practicable.(技术和经济上可行时应以可再生资源为原料)(技术和经济上可行时应以可再生资源为原料)8.Unnecessary derivations(protection/deprotection,blocking group,temporary modification of physical/chemical processes)should be avoided whenever possible.(尽可能避免不必要的衍生反应或过程)(尽可能避免不必要的衍生反应或过程)9.Cat
18、alytic reagent(as selective as possible)are superior to stoichiometric reagents (尽可能选择使用催化剂)(尽可能选择使用催化剂)10.Chemicals should be designed so that at the end of their function they do not persist in the environment and break down into innocuous degradation products.(应设计功能结束后无残留或可降解为无害物质的化学品)(应设计功能结束后无残
19、留或可降解为无害物质的化学品)11.Analytical methodologies need to be developed to allow for real time,in-process monitoring,and control prior to the formation of hazardous subatances (应发展实时分析方法,以避免或监控有毒害物质的生成)(应发展实时分析方法,以避免或监控有毒害物质的生成)12.Substances and the form of a substance used in a chemical process should be c
20、hosen so as to minimize the potential for chemical accidents,including releases,explosions,and fires.(尽可能选用安全的化学物质,最大限度减少化学事故发生)(尽可能选用安全的化学物质,最大限度减少化学事故发生)12.2 绿色化学设计方法与应用绿色化学设计方法与应用设计安全无害化学品的方法设计安全无害化学品的方法安全无毒化学品的含义安全无毒化学品的含义 绿色化学的目标是从源头消除污染,首先要求目标分子是绿色化学的目标是从源头消除污染,首先要求目标分子是安全有效的:使用功能功效完善;对人类和环境无害
21、。安全有效的:使用功能功效完善;对人类和环境无害。设计安全无毒化学品的原理:设计安全无毒化学品的原理:从物质的构效关系出发,在分子水平上设计既满足功从物质的构效关系出发,在分子水平上设计既满足功能需求又对人类和环境无害的化学品。能需求又对人类和环境无害的化学品。通过分子设计,改善分子的物理化学性质,包括在环通过分子设计,改善分子的物理化学性质,包括在环境中的分布、对人和其他生物体的吸收性质、降解代谢残境中的分布、对人和其他生物体的吸收性质、降解代谢残留等,从而减少其有害生物效应和接触途径。留等,从而减少其有害生物效应和接触途径。1.1.基于毒理学分析的分子设计基于毒理学分析的分子设计基于毒理学
22、分析的分子设计基于毒理学分析的分子设计Exposure 接触接触Absorption吸收吸收Distribution分散分散Metabolism代谢代谢Excretion排泄排泄Chemical-biomolecular interaction in target tissue与目标组织中的与目标组织中的生物分子相互作用生物分子相互作用Toxic effect 毒效毒效化学品毒性的产生过程化学品毒性的产生过程Toxicological mechanism致毒机理structural modifications of the molecule分子修饰减少吸收,利用致毒机理消除毒性减少吸收,利用致
23、毒机理消除毒性 Reducing Absorption利用构效关系消除毒性利用构效关系消除毒性 structure-activity relationships利用后代谢原理消除毒性利用后代谢原理消除毒性 Retrometabolic design用等效的无毒物质替代有毒物质用等效的无毒物质替代有毒物质Equally efficacious substitutesn Molecular size分子大小n molecular weight相对分子质量n dissociation constant分解常数n aqueous solubility水溶性n lipophilicity脂溶性n phy
24、sical state(solid,liquid,gas)物质状态n particle size固体物质粒子大小影响物质吸收与渗透的物理化学因素:影响物质吸收与渗透的物理化学因素:通过分子修饰减少接触、吸收、结合,或加速代谢与排泄。通过分子修饰减少接触、吸收、结合,或加速代谢与排泄。例例例例1 1:通过分子设计,降低分子的亲电性,避免它与细胞分:通过分子设计,降低分子的亲电性,避免它与细胞分:通过分子设计,降低分子的亲电性,避免它与细胞分:通过分子设计,降低分子的亲电性,避免它与细胞分子的亲核部分发生作用而降低分子的毒性)。子的亲核部分发生作用而降低分子的毒性)。子的亲核部分发生作用而降低分子
25、的毒性)。子的亲核部分发生作用而降低分子的毒性)。CHCHCHCH2 2 2 2=CHCOOCH=CHCOOCH=CHCOOCH=CHCOOCH2 2 2 2CHCHCHCH3 3 3 3CHCHCHCH2 2 2 2=C=C=C=C(CHCHCHCH3 3 3 3)COOCHCOOCHCOOCHCOOCH3 3 3 3Acrylates(丙烯酸酯)Methacrylates(甲基丙烯酸酯)丙烯酸乙酯含有丙烯酸乙酯含有,-不饱和羰基,会发生不饱和羰基,会发生Michael加成反应,一加成反应,一般认为这是般认为这是丙烯酸酯可能致癌的原因。在丙烯酸酯可能致癌的原因。在 位引入甲基后的位引入甲基后
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