綠色化學(xué)發(fā)展情況趨勢(shì)

1、綠色化學(xué)發(fā)展情況趨勢(shì) 第一節(jié)：不對(duì)稱(chēng)催化合成第一節(jié)：不對(duì)稱(chēng)催化合成 制造光學(xué)純化合物的方法有制造光學(xué)純化合物的方法有 ：化學(xué)合：化學(xué)合成成- -拆分法，不對(duì)稱(chēng)化學(xué)合成法，不對(duì)稱(chēng)催化拆分法，不對(duì)稱(chēng)化學(xué)合成法，不對(duì)稱(chēng)催化合成法和發(fā)酵法。合成法和發(fā)酵法。 化學(xué)合成所得到的是外消旋化合物，兩化學(xué)合成所得到的是外消旋化合物，兩種對(duì)映體各占一半，因此必須經(jīng)拆分才能得到種對(duì)映體各占一半，因此必須經(jīng)拆分才能得到單一的對(duì)映體。這意味著有一半產(chǎn)物是無(wú)用的。單一的對(duì)映體。這意味著有一半產(chǎn)物是無(wú)用的。 不對(duì)稱(chēng)化學(xué)合成較之一般化學(xué)合成法前不對(duì)稱(chēng)化學(xué)合成較之一般化學(xué)合成法前進(jìn)了一大步，它采用化學(xué)計(jì)量的手性試劑選擇進(jìn)了一大

2、步，它采用化學(xué)計(jì)量的手性試劑選擇性合成手性化合物，但由于手性試劑昂貴，限性合成手性化合物，但由于手性試劑昂貴，限制了它在工業(yè)上的推廣應(yīng)用。制了它在工業(yè)上的推廣應(yīng)用。 不對(duì)稱(chēng)催化具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，主要是不對(duì)稱(chēng)催化具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，主要是由于它有由于它有“手性增殖手性增殖”或或“手性放大手性放大”作用，即通過(guò)使用催化量的手性催化劑作用，即通過(guò)使用催化量的手性催化劑可以立體選擇性地生成大量手性化合物。可以立體選擇性地生成大量手性化合物。 它和發(fā)酵不同，不對(duì)稱(chēng)催化工藝不它和發(fā)酵不同，不對(duì)稱(chēng)催化工藝不局限于局限于“生物生物”類(lèi)型的底物，并且類(lèi)型的底物，并且R-R-異異構(gòu)體和構(gòu)體和S-S-異構(gòu)體同樣容易生成，只要

3、采異構(gòu)體同樣容易生成，只要采用不同構(gòu)型的手性催化劑就可實(shí)現(xiàn)。不用不同構(gòu)型的手性催化劑就可實(shí)現(xiàn)。不對(duì)稱(chēng)催化也避免了發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的大對(duì)稱(chēng)催化也避免了發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的大量失效營(yíng)養(yǎng)媒介物的處理問(wèn)題，而且根量失效營(yíng)養(yǎng)媒介物的處理問(wèn)題，而且根據(jù)現(xiàn)在應(yīng)用于工業(yè)上的不對(duì)稱(chēng)催化過(guò)程據(jù)現(xiàn)在應(yīng)用于工業(yè)上的不對(duì)稱(chēng)催化過(guò)程的生產(chǎn)效率看，它遠(yuǎn)高于發(fā)酵法。的生產(chǎn)效率看，它遠(yuǎn)高于發(fā)酵法。 單一對(duì)映體的手性化合物單一對(duì)映體的手性化合物的重要性不僅限于醫(yī)藥，在的重要性不僅限于醫(yī)藥，在農(nóng)藥和光電新材料發(fā)展中，農(nóng)藥和光電新材料發(fā)展中，已經(jīng)證明單一對(duì)映體的手性已經(jīng)證明單一對(duì)映體的手性化合物具有更高效率和更優(yōu)化合物具有更高效率和更優(yōu)異

4、性能，因此越來(lái)越受到重異性能，因此越來(lái)越受到重視。視。 第二節(jié)：第二節(jié)： 酶催化和生物降解酶催化和生物降解 分子生物技術(shù)還能用來(lái)加強(qiáng)工業(yè)過(guò)程分子生物技術(shù)還能用來(lái)加強(qiáng)工業(yè)過(guò)程催化劑使用的酶的性能，這同傳統(tǒng)催化催化劑使用的酶的性能，這同傳統(tǒng)催化技術(shù)是非常類(lèi)似的。技術(shù)是非常類(lèi)似的。 酶和其他生物系統(tǒng)在溫和的溫度、壓酶和其他生物系統(tǒng)在溫和的溫度、壓力和力和pHpH值條件下，在稀水溶液中能很好值條件下，在稀水溶液中能很好地工作。地工作。 這些系統(tǒng)催化的反應(yīng)是典型對(duì)環(huán)境友這些系統(tǒng)催化的反應(yīng)是典型對(duì)環(huán)境友好的，因?yàn)樯傻母碑a(chǎn)物或廢物很少好的，因?yàn)樯傻母碑a(chǎn)物或廢物很少。 通常，這些酶催化劑和由它們合成的通常

5、，這些酶催化劑和由它們合成的材料是生物可以降解的，因此不會(huì)長(zhǎng)久存材料是生物可以降解的，因此不會(huì)長(zhǎng)久存在在環(huán)境中。在在環(huán)境中。 這些反應(yīng)是典型選擇性的并有特別高這些反應(yīng)是典型選擇性的并有特別高的收率，而且酶能夠催化單一反應(yīng)器中的的收率，而且酶能夠催化單一反應(yīng)器中的整個(gè)系列的反應(yīng)，導(dǎo)致總收率的很大改進(jìn)整個(gè)系列的反應(yīng)，導(dǎo)致總收率的很大改進(jìn)和高的位置特效性，以及大多數(shù)情況下和高的位置特效性，以及大多數(shù)情況下100%100%的手性合成。的手性合成。 整個(gè)細(xì)胞催化的酶催化技術(shù)的改良使整個(gè)細(xì)胞催化的酶催化技術(shù)的改良使用，用單種酶或復(fù)合酶催化的反應(yīng)和化學(xué)用，用單種酶或復(fù)合酶催化的反應(yīng)和化學(xué)合成對(duì)于新的催化技術(shù)

6、的發(fā)展都是很重要合成對(duì)于新的催化技術(shù)的發(fā)展都是很重要的。的。 第三節(jié)：第三節(jié)： 分子氧的活化和高選擇分子氧的活化和高選擇 性氧化反應(yīng)性氧化反應(yīng) 全世界生產(chǎn)的主要化學(xué)品中全世界生產(chǎn)的主要化學(xué)品中50%50%以以上是和選擇氧化過(guò)程有關(guān)的。上是和選擇氧化過(guò)程有關(guān)的。 包括：碳?xì)浠衔镅趸珊趸习ǎ禾細(xì)浠衔镅趸珊趸衔锖秃趸衔锏难趸D(zhuǎn)化。物和含氧化合物的氧化轉(zhuǎn)化。 現(xiàn)在有機(jī)化學(xué)品的制造大多是以石現(xiàn)在有機(jī)化學(xué)品的制造大多是以石油為原料，而石油烴分子又都是處于油為原料，而石油烴分子又都是處于還原狀態(tài)，因此通過(guò)氧化將它們轉(zhuǎn)化還原狀態(tài)，因此通過(guò)氧化將它們轉(zhuǎn)化為帶有不同含氧基團(tuán)的有機(jī)化合物在為帶

7、有不同含氧基團(tuán)的有機(jī)化合物在有機(jī)化學(xué)中占有重要的地位。有機(jī)化學(xué)中占有重要的地位。 氧化反應(yīng)是有機(jī)反應(yīng)中最難控制氧化反應(yīng)是有機(jī)反應(yīng)中最難控制反應(yīng)方向的，它們往往在生成主產(chǎn)反應(yīng)方向的，它們往往在生成主產(chǎn)物的同時(shí)，生成許多副產(chǎn)物，這使物的同時(shí)，生成許多副產(chǎn)物，這使得氧化反應(yīng)的選擇性較低。得氧化反應(yīng)的選擇性較低。 至今不少氧化反應(yīng)仍然采用的是至今不少氧化反應(yīng)仍然采用的是化學(xué)計(jì)量的氧化劑，特別是含重金化學(xué)計(jì)量的氧化劑，特別是含重金屬的無(wú)機(jī)氧化物，反應(yīng)完成后還有屬的無(wú)機(jī)氧化物，反應(yīng)完成后還有大量的殘留物需要處理，它們對(duì)環(huán)大量的殘留物需要處理，它們對(duì)環(huán)境會(huì)造成嚴(yán)重污染。境會(huì)造成嚴(yán)重污染。 因此發(fā)展新的高選擇

8、性氧化十分因此發(fā)展新的高選擇性氧化十分重要重要22。 綠色氧化過(guò)程應(yīng)是采用無(wú)毒綠色氧化過(guò)程應(yīng)是采用無(wú)毒無(wú)害的催化劑，它應(yīng)具有很高的無(wú)害的催化劑，它應(yīng)具有很高的氧化選擇性，不產(chǎn)生或很少產(chǎn)生氧化選擇性，不產(chǎn)生或很少產(chǎn)生副反應(yīng)產(chǎn)物，達(dá)到盡可能高的原副反應(yīng)產(chǎn)物，達(dá)到盡可能高的原子經(jīng)濟(jì)性。子經(jīng)濟(jì)性。 對(duì)氧化劑的要求是，它們參對(duì)氧化劑的要求是，它們參與反應(yīng)后不應(yīng)有氧化劑分解的殘與反應(yīng)后不應(yīng)有氧化劑分解的殘留有害物。留有害物。 因此，最好的氧化劑是氧，因此，最好的氧化劑是氧，其次是其次是H H2 2O O2 2。 純氧作氧化劑是重要發(fā)展方向，純氧作氧化劑是重要發(fā)展方向，它大量減少了尾氣排放量，從而減少它大量

9、減少了尾氣排放量，從而減少了隨尾氣帶入大氣的揮發(fā)性有機(jī)物造了隨尾氣帶入大氣的揮發(fā)性有機(jī)物造成的污染。成的污染。 因此新發(fā)展的氧化催化劑應(yīng)是在因此新發(fā)展的氧化催化劑應(yīng)是在緩和條件下能活化分子氧，通過(guò)這種緩和條件下能活化分子氧，通過(guò)這種活潑的催化氧化物種，使反應(yīng)物分子活潑的催化氧化物種，使反應(yīng)物分子高選擇性轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。模擬酶氧化的高選擇性轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。模擬酶氧化的金屬絡(luò)合物和分子篩將成為氧化催化金屬絡(luò)合物和分子篩將成為氧化催化劑的主要研究對(duì)象，它們將在開(kāi)拓清劑的主要研究對(duì)象，它們將在開(kāi)拓清潔的氧化工藝中發(fā)揮重要作用。潔的氧化工藝中發(fā)揮重要作用。第四節(jié)：第四節(jié)： 清潔的能源清潔的能源 世界人口的持續(xù)增

10、長(zhǎng)，能源和食品問(wèn)世界人口的持續(xù)增長(zhǎng)，能源和食品問(wèn)題將成為下世紀(jì)主要難題題將成為下世紀(jì)主要難題 傳統(tǒng)燃料燃燒方式放出的化學(xué)能受熱傳統(tǒng)燃料燃燒方式放出的化學(xué)能受熱力學(xué)第二定律的限制，只有一部分（低于力學(xué)第二定律的限制，只有一部分（低于40%40%）被轉(zhuǎn)化為有用能，其余的能量則以種）被轉(zhuǎn)化為有用能，其余的能量則以種種不可避免的方式損耗了，如活動(dòng)部件之種不可避免的方式損耗了，如活動(dòng)部件之間的摩擦消耗，作為廢熱從煙囪和冷卻塔間的摩擦消耗，作為廢熱從煙囪和冷卻塔排放出等等。排放出等等。 發(fā)展燃料電池是一條重要出路發(fā)展燃料電池是一條重要出路 燃料電池直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能沒(méi)有任何機(jī)械和熱的中間媒介。燃料電池

11、取決于不同用途，其效率可高達(dá)90%。 靠這種高效率，以燃料電池技術(shù)為基礎(chǔ)的發(fā)電廠，比起普通發(fā)電廠將消耗更少的燃料，同時(shí)相應(yīng)地減少了污染物的排放。 燃料電池高轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵在于用催化燃料電池高轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵在于用催化劑來(lái)控制燃料與氧的反應(yīng)，而此反應(yīng)溫度劑來(lái)控制燃料與氧的反應(yīng)，而此反應(yīng)溫度高達(dá)高達(dá)10001000o oC C左右。左右。 要在如此高的溫度下維持長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，還需要在如此高的溫度下維持長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，還需要解決一些技術(shù)障礙，包括：要解決一些技術(shù)障礙，包括： 在高溫下催化劑不被破壞的方法，避免陶在高溫下催化劑不被破壞的方法，避免陶瓷結(jié)構(gòu)的破裂和泄漏瓷結(jié)構(gòu)的破裂和泄漏 設(shè)計(jì)在足夠小的體積內(nèi)能傳導(dǎo)充

12、足的氧離設(shè)計(jì)在足夠小的體積內(nèi)能傳導(dǎo)充足的氧離子的陶瓷材料等。子的陶瓷材料等。 氫氫 氣氣 燃燃 料料 氫氣由于燃料熱效高，而且產(chǎn)物為氫氣由于燃料熱效高，而且產(chǎn)物為水，因此被認(rèn)為是未來(lái)最理想的高效水，因此被認(rèn)為是未來(lái)最理想的高效清潔能源清潔能源 氫氣燃料電池早已研究成功，而且氫氣燃料電池早已研究成功，而且用它驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)已問(wèn)世。用它驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)已問(wèn)世。 但由于氫氣成本較高，無(wú)論烴類(lèi)制但由于氫氣成本較高，無(wú)論烴類(lèi)制氫或電解制氫作為燃料使用，都缺乏氫或電解制氫作為燃料使用，都缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。競(jìng)爭(zhēng)力。 廉價(jià)獲取氫的方法研究廉價(jià)獲取氫的方法研究 生物制氫技術(shù)：生物制氫技術(shù)： 以制糖廢液，纖維素廢液和污以制糖廢液

13、，纖維素廢液和污泥廢液為原料，采用微生物培養(yǎng)泥廢液為原料，采用微生物培養(yǎng)法制取氫是很有希望的途徑，其法制取氫是很有希望的途徑，其關(guān)鍵是保持氫化酶的穩(wěn)定性，以關(guān)鍵是保持氫化酶的穩(wěn)定性，以便能采用通常發(fā)酵法連續(xù)生產(chǎn)制便能采用通常發(fā)酵法連續(xù)生產(chǎn)制氫的技術(shù)。氫的技術(shù)。 國(guó)外的研究：國(guó)外的研究： 主要集中于固定化微生物制氫技主要集中于固定化微生物制氫技術(shù)，現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)以聚丙烯酰胺將氫產(chǎn)術(shù)，現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)以聚丙烯酰胺將氫產(chǎn)生菌丁酸梭菌包埋固定化，可用于由生菌丁酸梭菌包埋固定化，可用于由葡萄糖發(fā)酵生產(chǎn)氫。葡萄糖發(fā)酵生產(chǎn)氫。 最近又發(fā)現(xiàn)用瓊脂固定化，生產(chǎn)氫最近又發(fā)現(xiàn)用瓊脂固定化，生產(chǎn)氫的速度是聚丙烯酰胺固定化菌種的

14、三的速度是聚丙烯酰胺固定化菌種的三倍。倍。 利用這種固定化氫產(chǎn)生菌，可以用利用這種固定化氫產(chǎn)生菌，可以用工業(yè)廢水中的有機(jī)物有效地生產(chǎn)氫。工業(yè)廢水中的有機(jī)物有效地生產(chǎn)氫。 國(guó)內(nèi)： 以厭氧活性污泥為原料的有機(jī)廢水發(fā)酵法制氫技術(shù)研究取得了重要突破，已實(shí)現(xiàn)中試規(guī)模連續(xù)非固定菌生物制氫，生產(chǎn)成本據(jù)稱(chēng)已低于電解法制氫。貯氫材料的研究貯氫材料的研究 貯氫材料的研究：貯氫材料的研究： 因?yàn)闅錃鈫挝惑w積的能量密度低，因?yàn)闅錃鈫挝惑w積的能量密度低，要靠高壓壓縮貯存，能耗很高，而要靠高壓壓縮貯存，能耗很高，而且存在安全隱患。且存在安全隱患。 目前稀土合金貯氫材料的研究取目前稀土合金貯氫材料的研究取得了良好的進(jìn)展，可

15、以預(yù)料不久的得了良好的進(jìn)展，可以預(yù)料不久的將來(lái)廉價(jià)制氫和貯氫材料技術(shù)將取將來(lái)廉價(jià)制氫和貯氫材料技術(shù)將取得突破并實(shí)用化。得突破并實(shí)用化。 第五節(jié)：第五節(jié)： 可再生資源的利用可再生資源的利用 目前可再生生物資源主要利用的是谷目前可再生生物資源主要利用的是谷物淀粉類(lèi)，而作為植物重要組成部分的物淀粉類(lèi)，而作為植物重要組成部分的木質(zhì)素利用不多，由于木質(zhì)素極其穩(wěn)定，木質(zhì)素利用不多，由于木質(zhì)素極其穩(wěn)定，降解十分困難。降解十分困難。 現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)一些細(xì)菌和真菌含有可使現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)一些細(xì)菌和真菌含有可使木質(zhì)素降解的木質(zhì)素過(guò)氧化酶、錳過(guò)氧木質(zhì)素降解的木質(zhì)素過(guò)氧化酶、錳過(guò)氧化酶、漆酶等，但其降解效率較低，因化酶、漆酶等

16、，但其降解效率較低，因此纖維素特別是木質(zhì)素的酶解，將是今此纖維素特別是木質(zhì)素的酶解，將是今后研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。后研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。 第五節(jié)：第五節(jié)： 可再生資源的利用可再生資源的利用 生物質(zhì)的生物降解和轉(zhuǎn)化生物質(zhì)的生物降解和轉(zhuǎn)化 生物質(zhì)的化學(xué)轉(zhuǎn)化生物質(zhì)的化學(xué)轉(zhuǎn)化生物質(zhì)的生物降解和轉(zhuǎn)化生物質(zhì)的生物降解和轉(zhuǎn)化 目前阻礙可再生生物資源利用的重要目前阻礙可再生生物資源利用的重要因素是酶催化劑穩(wěn)定性較差，對(duì)反應(yīng)條件，因素是酶催化劑穩(wěn)定性較差，對(duì)反應(yīng)條件，例如溫度、培養(yǎng)液濃度和例如溫度、培養(yǎng)液濃度和pHpH值等要求苛刻，值等要求苛刻，且價(jià)格昂貴。且價(jià)格昂貴。 采用基因工程、細(xì)胞工程、酶工程技采用基因工程、細(xì)胞

17、工程、酶工程技術(shù)的最新成果（例如克隆技術(shù)），按照需術(shù)的最新成果（例如克隆技術(shù)），按照需要制造高穩(wěn)定性和容忍性好的微生物，從要制造高穩(wěn)定性和容忍性好的微生物，從中提取出較廉價(jià)的酶是可能的中提取出較廉價(jià)的酶是可能的 。生物質(zhì)的生物降解和轉(zhuǎn)化生物質(zhì)的生物降解和轉(zhuǎn)化 可再生生物資源利用存在的另可再生生物資源利用存在的另一個(gè)問(wèn)題是酶和產(chǎn)物從反應(yīng)液中一個(gè)問(wèn)題是酶和產(chǎn)物從反應(yīng)液中分離出來(lái)困難。分離出來(lái)困難。 酶和微生物的固載化，高效生酶和微生物的固載化，高效生物反應(yīng)器和分離技術(shù)的開(kāi)發(fā)，將物反應(yīng)器和分離技術(shù)的開(kāi)發(fā)，將成為生物化學(xué)工程的研究重點(diǎn)。成為生物化學(xué)工程的研究重點(diǎn)。 生物質(zhì)的化學(xué)轉(zhuǎn)化生物質(zhì)的化學(xué)轉(zhuǎn)化 生

18、物質(zhì)的直接液化已有相關(guān)研究，需要提生物質(zhì)的直接液化已有相關(guān)研究，需要提高品位和選擇性高品位和選擇性 生物質(zhì)的間接液化生物質(zhì)的間接液化 先轉(zhuǎn)化為合成氣，由合成氣轉(zhuǎn)化為液體產(chǎn)先轉(zhuǎn)化為合成氣，由合成氣轉(zhuǎn)化為液體產(chǎn)品，需要提高合成氣中氫的比例。品，需要提高合成氣中氫的比例。生 物 質(zhì)熱 化 學(xué)轉(zhuǎn) 化氣 體產(chǎn) 物焦 油CO/H2/CO2/等甲 醇 等氣 體 燃 料綠 色 化 學(xué) 品重 整催 化配 氣合 成 氣結(jié)構(gòu)鍵能結(jié)構(gòu)鍵能 定向氣化定向氣化 生物制氫生物制氫氣化機(jī)理氣化機(jī)理 催化重整催化重整 綠色合成綠色合成Gasification reactor (fixed bed) for biomass conversiongasifierpurificationfanNeededByHomegas tankbiomass, air生物質(zhì)氣體組成生物質(zhì)氣體組成生物質(zhì) 氣體組成 (%)COH2CH4CO2N2鋸末18-2112-172.5-3.58-1250-55秸稈14-1614-163-413-1553-54Gasificatio