關(guān)于綠色化學(xué)概念的討論

沈玉龍，舒世立

（唐山師范學(xué)院 化學(xué)系，河北 唐山 063000）

關(guān)于綠色化學(xué)概念的討論

沈玉龍，舒世立

（唐山師范學(xué)院 化學(xué)系，河北 唐山 063000）

隨著綠色化學(xué)研究和實踐的不斷深入，其定義在不斷的發(fā)展和變化，其內(nèi)涵也逐步變得完善和豐富。基于對綠色化學(xué)相關(guān)文獻(xiàn)的研究和分析，就綠色化學(xué)的定義、原則及其評估指標(biāo)等進(jìn)行闡述，期望對綠色化學(xué)概念及內(nèi)涵能給出一個相對清晰的認(rèn)識。

綠色化學(xué)；定義；原則；指標(biāo)

綠色化學(xué)誕生于1990年代，是人類面對日益嚴(yán)重的環(huán)境問題重新審視傳統(tǒng)化學(xué)而得到的新的科學(xué)思想。綠色化學(xué)這一概念經(jīng)受住了時間的考驗，如今“綠色化學(xué)”已眾所周知并被普遍使用。經(jīng)過20年的研究與發(fā)展，綠色化學(xué)由認(rèn)識變成實踐，正在為合理利用資源、解決環(huán)境污染和可持續(xù)發(fā)展等發(fā)揮重要的作用。隨著綠色化學(xué)研究和實踐的不斷深入，其定義也在不斷的發(fā)展和變化，其內(nèi)涵也逐步變得完善和豐富。基于對綠色化學(xué)相關(guān)文獻(xiàn)的研究和分析，本文就綠色化學(xué)的定義、原則、評估標(biāo)準(zhǔn)等方面進(jìn)行闡述，期望對綠色化學(xué)概念內(nèi)涵能給出一個相對清晰的認(rèn)識。

1 綠色化學(xué)的定義

“綠色化學(xué)”一詞最早見于Cathcart在1990年發(fā)表的一篇論文[1]。1993年美國環(huán)境保護署將其1991年啟動的“為污染預(yù)防變更合成路線”研究計劃更名為“綠色化學(xué)計劃”，并賦予了“綠色化學(xué)”用化學(xué)預(yù)防污染的含義。在上世紀(jì)80年代到90年代，綠色化學(xué)也被稱為環(huán)境無害化學(xué)、環(huán)境友好化學(xué)、清潔化學(xué)、可持續(xù)化學(xué)，目前比較統(tǒng)一的名稱為綠色化學(xué)。

1996年Anastas（被譽為“綠色化學(xué)之父”）和Williamson給出了綠色化學(xué)的第一個較為明確的定義[2]?！熬G色化學(xué)是用化學(xué)的技術(shù)和方法去減少或消除那些對人類健康或環(huán)境有危險的原料、產(chǎn)物、副產(chǎn)物、溶劑和試劑等的使用或產(chǎn)生”[3]。

1998年Anastas和Warner出版了被譽為經(jīng)典之作的專著《Green chemistry: theory and practice》，并將綠色化學(xué)定義為：“利用一系列原理來降低或消除在化學(xué)產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)和應(yīng)用中危險物質(zhì)的使用或產(chǎn)生”[4]。

1999年Anastas又將綠色化學(xué)定義為：“設(shè)計能降低或消除危險物質(zhì)的使用和產(chǎn)生的化學(xué)產(chǎn)品和過程”[5]。

隨后“綠色化學(xué)”被國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）認(rèn)可，并被定義為：“發(fā)明、設(shè)計和應(yīng)用能降低或消除危險物質(zhì)的使用和產(chǎn)生的化學(xué)產(chǎn)品和過程”[6]。

美國化學(xué)會（ACS）將綠色化學(xué)定義為：“設(shè)計、開發(fā)和實施能減少或消除那些對人類健康和生態(tài)環(huán)境有危險的物質(zhì)的使用和產(chǎn)生的化學(xué)產(chǎn)品和過程”[7]。

定義中的“設(shè)計”是綠色化學(xué)中最重要的要素，新化學(xué)產(chǎn)品和化學(xué)過程的設(shè)計階段是一個關(guān)鍵的階段，需要有意識、深思熟慮地使用一系列的標(biāo)準(zhǔn)、原理和方法，對分子設(shè)計和化學(xué)合成方法要仔細(xì)的恰當(dāng)?shù)囊?guī)劃，以降低化學(xué)產(chǎn)品和過程對人類健康和生態(tài)環(huán)境影響，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中必須包括物質(zhì)危險性的相關(guān)指標(biāo)。定義中的“使用和產(chǎn)生”意味著要求預(yù)先考慮產(chǎn)品的使用是否危險、產(chǎn)品使用壽命結(jié)束之后的處置或回收使用是否產(chǎn)生環(huán)境污染；不僅要考慮化學(xué)過程中意外產(chǎn)生的不合需要的物質(zhì)，還要考慮過程中使用的所有物質(zhì)。即在化學(xué)產(chǎn)品整個生命周期中，從原料來源到生產(chǎn)、配送、使用、使用壽命結(jié)束之后的處置或回收使用，考慮降低或消除危險的物質(zhì)。定義中的“危險”一詞具有寬廣的含義，危險是對人類或環(huán)境能造成不良后果的能力，包括物理危險（如爆炸性、燃燒性、氧化性等）、毒性危險（如急慢性毒性、致癌性、生態(tài)毒性等）和全球性危險（如平流層臭氧消耗、氣候變化等）。

從以上分析并比較前面的幾個定義，Anastas在1999年提出的綠色化學(xué)定義用詞簡潔、內(nèi)涵完整；此定義被美國環(huán)境保護署采用，也被文獻(xiàn)引用的最多，因此成為綠色化學(xué)的經(jīng)典定義。

從定義的變化可以看出，綠色化學(xué)剛出現(xiàn)時，它更多地是代表一種認(rèn)識、一種理念，就是用化學(xué)去預(yù)防污染；隨著研究的深入，綠色化學(xué)變成了一種行動、一種防止污染的實踐，即設(shè)計對人類健康和生態(tài)環(huán)境影響較小的化學(xué)產(chǎn)品和過程，通過深思熟慮的分子設(shè)計，開發(fā)既保持功能同時危險最小的新物質(zhì)，從源頭上減少或預(yù)防化學(xué)品的危險。綠色化學(xué)作為化學(xué)產(chǎn)品和化學(xué)過程的一個設(shè)計框架，它有三個要點[8]：綠色化學(xué)要對化學(xué)產(chǎn)品整個生命周期的全部階段進(jìn)行設(shè)計；綠色化學(xué)要對化學(xué)產(chǎn)品和過程的內(nèi)在性質(zhì)進(jìn)行設(shè)計，以減少它們的固有危險；綠色化學(xué)以一套系統(tǒng)的緊密結(jié)合的原則作為設(shè)計準(zhǔn)則。由此看出，綠色化學(xué)與傳統(tǒng)理念不同，傳統(tǒng)上人們通過環(huán)境法規(guī)來控制危險物質(zhì)的暴露性來降低風(fēng)險，如建立“安全”濃度和接觸限值等；綠色化學(xué)則通過降低或消除物質(zhì)內(nèi)在的危險性來降低風(fēng)險，目標(biāo)是在設(shè)計階段就消除危險。與傳統(tǒng)化學(xué)比較，綠色化學(xué)把“危險”作為化學(xué)產(chǎn)品和過程的性能指標(biāo)，認(rèn)為存在“危險”是設(shè)計的缺陷。

2 綠色化學(xué)12條原則

Anastas和Warner從源頭上降低或消除化學(xué)污染的角度出發(fā)，在1998年提出了著名的綠色化學(xué)12條原則[4]，對綠色化學(xué)定義做了進(jìn)一步闡明。Hjeresen等[9]用12個關(guān)鍵詞語來概括這12條原則：（1）預(yù)防（Prevention）；（2）原子經(jīng)濟性（Atom Economy）；（3）較小危險的化學(xué)合成（Less Hazardous Chemical Syntheses）；（4）設(shè)計安全化學(xué)品（Designing Safer Chemicals）；（5）安全溶劑和助劑（Safer Solvents and Auxiliaries）；（6）為能源效率而設(shè)計（Design for Energy Efficiency）；（7）使用可再生原料（Use of Renewable Feedstocks）；（8）減少衍生物（Reduce Derivatives）；（9）催化（Catalysis）；（10）為可降解而設(shè)計（Design for Degradation）；（11）適合污染預(yù)防的實時分析（Real-Time Analysis for Pollution Prevention）；（12）適合事故預(yù)防的本質(zhì)安全化學(xué)（Inherently Safer Chemistry for Accident Prevention）。綠色化學(xué)12條原則的這種概括性的表述被廣為接受和傳播，Anastas本人也引用這種表述[8]。Sheldon把綠色化學(xué)原則的精髓簡化為一句話：“在制造和應(yīng)用化學(xué)產(chǎn)品時，綠色化學(xué)高效地利用原料（最好是可再生的）、消除廢物和避免使用有毒的或危險的試劑和溶劑”[10]。有些文獻(xiàn)[11,12]把Anastas等[13]提出的12個挑戰(zhàn)性的問題理解為新的或補充的12條原則是不準(zhǔn)確的。

綠色化學(xué)12條原則不是12個獨立的目標(biāo)，而是一個整體的緊密結(jié)合的體系。綠色化學(xué)12條原則能處理化學(xué)反應(yīng)過程從化學(xué)原料（原則7）到化學(xué)品壽命終止（原則10）的所有環(huán)節(jié)。在每個環(huán)節(jié)均給出了建議：反應(yīng)物的選擇（原則9）、溶劑的選擇（原則5）、反應(yīng)條件的選擇（原則6）、化學(xué)反應(yīng)的規(guī)劃（原則2、4、8）和化學(xué)反應(yīng)的監(jiān)控（原則11）等?？傊?，綠色化學(xué)12條原則促進(jìn)了化學(xué)學(xué)科的更安全（原則3、4、12）、更高效（原則1、2）[14]。綠色化學(xué)12條原則給出了設(shè)計化學(xué)產(chǎn)品和過程指導(dǎo)方針，力圖在化學(xué)產(chǎn)品生命周期的每個階段都要最大化效率、最小化對健康和環(huán)境的危險。

3 綠色化學(xué)評估指標(biāo)

一個綠色化學(xué)過程應(yīng)使制造產(chǎn)品的原材料最大化的轉(zhuǎn)化和輔助化學(xué)品最大化的重復(fù)使用，這樣就減少了廢物的產(chǎn)生和自然資源的消耗。一個過程的“綠色”程度需要評估指標(biāo)來鑒定。一般認(rèn)為，一個好的評估指標(biāo)應(yīng)該是簡單、容易測量、定義清晰、客觀，最終能導(dǎo)向正確的行為。過去的20年，綠色化學(xué)開發(fā)了很多基于質(zhì)量的評估指標(biāo)，目前最常用的有三個指標(biāo)：原子經(jīng)濟性、環(huán)境因子和過程質(zhì)量強度（Process mass intensity，PMI）[15]。原子經(jīng)濟性和環(huán)境因子在文獻(xiàn)中已被廣泛討論，這里不再贅述。

過程質(zhì)量強度的定義式及計算公式如下[15]：

過程質(zhì)量強度=(制造產(chǎn)品所使用的所有材料的質(zhì)量)/目標(biāo)產(chǎn)品質(zhì)量

“制造產(chǎn)品所使用的所有材料”包括反應(yīng)、提純過程中使用的反應(yīng)物、試劑、溶劑（包括水）以及催化劑等。

過程質(zhì)量強度包含了污染預(yù)防的核心概念。如果過程質(zhì)量強度等于1，意味著進(jìn)入工藝過程中的化學(xué)原材料100%轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，輔助化學(xué)品100%被循環(huán)再使用，沒有廢物產(chǎn)生。過程質(zhì)量強度大于1，表明有廢物產(chǎn)生。

當(dāng)計算環(huán)境因子時，如果也考慮水的因素（計算環(huán)境因子時，一般認(rèn)為水不構(gòu)成一個重要的環(huán)境影響，所以不考慮水[16]），過程質(zhì)量強度與環(huán)境因子相比較，兩者的關(guān)系為：環(huán)境因子=過程質(zhì)量強度-1。

過程質(zhì)量強度是近年來評估化學(xué)過程的一個受到關(guān)注的指標(biāo)；美國化學(xué)會綠色化學(xué)協(xié)會制藥圓桌會議（ACS GCIPR）把過程質(zhì)量強度作為在藥物合成中優(yōu)先選擇的指標(biāo)[17]；Watson調(diào)查了21家世界著名的制藥和精細(xì)化工公司，14家公司（占67%）使用過程質(zhì)量強度作為過程評價指標(biāo)，是應(yīng)用最多的一個評估指標(biāo)[18]。

4 綠色化學(xué)面臨的問題

綠色化學(xué)通過設(shè)計更安全的化學(xué)過程和較小危險性的化學(xué)品，為可持續(xù)的未來提供了一個框架。隨著綠色化學(xué)研究和實踐的發(fā)展，目前綠色化學(xué)也面臨著巨大的科學(xué)挑戰(zhàn)[19]：（1）為使化學(xué)品和過程對人類健康和環(huán)境的危險達(dá)到最小化，如何操控分子設(shè)計？（2）在進(jìn)行化學(xué)產(chǎn)品和過程設(shè)計時，如何使綠色化學(xué)12條原則的每條原則全部被優(yōu)化，達(dá)到協(xié)同增效效應(yīng)的目標(biāo)？（3）如何重新定義化學(xué)產(chǎn)品和過程的性能，使它們既具有功能同時又最小化危險，不產(chǎn)生意外的后果？（4）如何使用新設(shè)計，使其作為變革性創(chuàng)新的基礎(chǔ)，而不是對現(xiàn)狀的簡單改善？

可持續(xù)文明需要健康的環(huán)境和健康的經(jīng)濟，綠色化學(xué)實踐已證明創(chuàng)新的科學(xué)的“設(shè)計”能幫助我們同時完成這兩個目標(biāo)，實現(xiàn)經(jīng)濟與環(huán)境的雙贏。綠色化學(xué)期求在分子水平上實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)該說綠色化學(xué)是今天的化學(xué)，也是未來的化學(xué)。

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（責(zé)任編輯、校對：琚行松）

The Discussion on the Concept of Green Chemistry

SHEN Yu-long, SHU Shi-li
(Department of Chemistry, Tangshan Teachers College, Tangshan 063000, China)

The concepts and practice of Green Chemistry have developed over nearly 20 years. And its definition is still developing and changing with more and more perfect connotations. The definition, principle and metric of green chemistry are expounded based on the research and analysis of chemical literature on green chemistry, which may be helpful to better understand the essential concepts and connotation of green chemistry.

green chemistry; definition; principles; metric

O69

A

1009-9115(2014)02-0116-03

10.3969/j.issn.1009-9115.2014.02.035

河北省專業(yè)綜合改革試點項目（應(yīng)用化學(xué)專業(yè)）

2013-07-26

沈玉龍（1964-），男，河北滄州人，碩士，教授，研究方向為綠色化學(xué)與工藝。