¿Qué es la química verde? A principios de los años 90, los químicos propusieron el concepto de "química verde", que es diferente del concepto tradicional de "control de la contaminación". Requiere que cualquier actividad relacionada con la química (incluido el uso de materias primas químicas, química e ingeniería química y productos finales) sea respetuosa con la salud humana y el medio ambiente. El ideal de la química verde es dejar de utilizar sustancias tóxicas y nocivas y dejar de producir residuos. Desde una perspectiva científica, la química verde es una actualización de los contenidos básicos de la ciencia química desde una perspectiva ambiental, enfatiza la eliminación de la contaminación desde la fuente, desde una perspectiva económica, aboga por el uso racional de los recursos y la energía, reduce la producción; costos y cumple con los requisitos del desarrollo sostenible. Los principios básicos de la química verde son: ① Prevenir la contaminación es mejor que controlarla (2) Economía atómica (el método de síntesis diseñado debe convertir todos los materiales utilizados en el proceso de reacción en productos finales tanto como sea posible); , intente utilizar rutas sintéticas que sean poco tóxicas o no tóxicas para los humanos y el medio ambiente; ④ Los productos químicos diseñados deben poder mantener la eficacia y reducir la toxicidad; ⑤ Las sustancias auxiliares (como disolventes, reactivos de separación, etc.) deben ser evitarse en la medida de lo posible y no debe ser tóxico cuando se utilice ⑥ Considerar el impacto del consumo de energía en el medio ambiente y la economía, y utilizar la menor cantidad de energía posible (temperatura y presión normales) ⑦ Siempre que sea técnica y económicamente; factible, las materias primas deben ser renovables y no estar a punto de agotarse; (8) Intentar evitar los pasos de derivatización necesarios (grupos protectores, protección y desprotección, etc.). ⑨ Los catalizadores (con la mejor selectividad posible) son mejores que los reactivos estequiométricos; ⑩ Los productos químicos deberían poder degradarse en sustancias inofensivas después de completar su misión y no deberían permanecer en el medio ambiente; se deberían desarrollar más métodos analíticos para detectar sustancias nocivas; Se rastrea y controla en línea inmediatamente antes de la producción; durante el proceso de transformación química, las sustancias y formas de materiales seleccionadas reducen la posibilidad de accidentes químicos (incluidas fugas, explosiones, incendios, etc.). ) tanto como sea posible. Los 12 principios de la química verde anteriores reflejan diversos contenidos de investigación en el campo de la química verde en los últimos años, y también señalan la dirección del desarrollo futuro de la química verde, y son gradualmente aceptados por la comunidad académica internacional. El concepto de "economía atómica" de las reacciones químicas es uno de los contenidos centrales de la química verde. Fue propuesto por primera vez por el profesor B.M. Trost de la Universidad de Stanford en los Estados Unidos. Declaró claramente que se debería utilizar un nuevo criterio para evaluar los procesos químicos, a saber, la selectividad y la economía atómica. La economía atómica considera cuántos átomos de materia prima entran en el producto en una reacción química. La reacción económica atómica ideal es que el 100% de los átomos de las moléculas de la materia prima se conviertan en productos sin producir subproductos ni residuos, logrando así una "emisión cero" de residuos. Actualmente también se reconoce generalmente el concepto de "economía atómica". b.m.trost 65438-0998 ganó el premio académico estadounidense "Premio al Desafío de Química Verde del Presidente". (2) La química verde en acción La química verde, como dirección y base para el desarrollo futuro de la industria química, ha recibido una atención cada vez mayor por parte del gobierno, las empresas y el mundo académico. Por ejemplo, en 1995, Estados Unidos estableció el "Premio Presidencial al Desafío de Química Verde" para recompensar a personas, grupos u organizaciones que hayan logrado logros sobresalientes en la investigación, el desarrollo y la aplicación creativos de los principios básicos de la química verde. Incluye cinco premios: Premio Académico, Premio a la Pequeña y Mediana Empresa, Premio Nueva Ruta de Síntesis, Premio Nuevo Proceso y Premio Diseño Químico Seguro. El libro "Teoría y práctica de la química verde" publicado en 1998 es un trabajo clásico sobre la química verde. El libro detalla la definición, los principios, los métodos de evaluación y las tendencias de desarrollo de la química verde. "Green Chemistry" es una revista internacional patrocinada por la Royal Society of Chemistry y fue fundada en 1999. Su contenido cubre muchos resultados de investigación, revisiones y otra información sobre tecnología de producción de químicos limpios, así como actividades de investigación académica internacional que reducen el impacto en el medio ambiente mediante la aplicación o el procesamiento de químicos. Siguiendo la trayectoria de algunos premios de química verde en los Estados Unidos, podemos ver los principales resultados y tendencias de la tecnología y la investigación de procesos de química verde actual: ①Desarrollo de reacciones "atómico-económicas" En los últimos años, el desarrollo de reacciones atómicas-económicas se ha convertido en uno de los puntos calientes en la investigación de la química verde. Por ejemplo, el óxido de propileno es una materia prima importante para la producción de plásticos de poliuretano. Tradicionalmente, el método de la clorhidrina utiliza principalmente una reacción de dos pasos, que no sólo utiliza cloro gaseoso que puede ser peligroso, sino que también produce una gran cantidad de aguas residuales que contienen cloruro de calcio que contamina el medio ambiente. En el país y en el extranjero se están desarrollando nuevos métodos de reacción atómicamente económicos para la oxidación catalítica del propileno en óxido de propileno. Para otro ejemplo, EniChem Company puede sintetizar directamente ciclohexanona oxima a partir de ciclohexanona, amoníaco y peróxido de hidrógeno bajo la acción de un catalizador de tamiz molecular de silicio y titanio. Para las reacciones económicas atómicas que se han aplicado en la industria, se necesitan más investigaciones y mejoras desde los aspectos de protección ambiental, tecnología y economía. Para lograr una alta economía atómica en esta reacción, es necesario desarrollar nuevas rutas de reacción y reemplazar las reacciones estequiométricas con reacciones catalíticas.
El trabajo del BCH, ganador del Premio Nueva Ruta Sintética en 1997, es un buen ejemplo. La empresa ha desarrollado un nuevo proceso para sintetizar ibuprofeno, un fármaco analgésico y sedante no esteroideo ampliamente utilizado. El proceso de producción tradicional consta de seis reacciones estequiométricas, con una tasa de utilización efectiva de átomos inferior al 40%. El nuevo proceso utiliza tres reacciones catalíticas y la tasa de utilización efectiva de los átomos alcanza el 80%. Si se considera el reciclaje del subproducto ácido acético, la tasa de utilización efectiva de los átomos alcanza el 99%. ② Utilice materias primas no tóxicas e inofensivas. Por el bien de la salud humana y la seguridad ambiental, las materias primas tóxicas y nocivas deben reemplazarse por materias primas no tóxicas e inofensivas para producir los productos químicos necesarios. Por ejemplo, Monsanto desarrolló un proceso seguro para producir aminodiacetato de sodio mediante deshidrogenación catalítica de dietanolamina no tóxica, cambiando la ruta de síntesis anterior en dos pasos utilizando amoníaco, formaldehído y ácido cianhídrico como materias primas, y así ganó el Premio Presidencial de Estados Unidos en 1996. Premio Ruta Sintética en el Premio Desafío de Química Verde. Además, se ha desarrollado en el extranjero una nueva ruta sintética para producir metacrilato de metilo a partir de isobutileno, utilizando acetona y ácido cianhídrico como materias primas en sustitución del método de acetonacianhidrina. ③ Utilice catalizadores no tóxicos e inofensivos. En la actualidad, para la alquilación de hidrocarburos se utilizan generalmente catalizadores ácidos líquidos como ácido fluorhídrico, ácido sulfúrico y tricloruro de aluminio. Todos estos catalizadores tienen las mismas deficiencias, como corrosión grave de los equipos, daños a las personas, residuos y contaminación ambiental. En la actualidad, se están desarrollando catalizadores ácidos sólidos para reacciones de alquilación a partir de nuevos materiales catalíticos como tamices moleculares, heteropoliácidos y superácidos. Por ejemplo, la alquilación de isobutano con buteno es un método importante en la industria del refinado para proporcionar componentes de alto octanaje. En la actualidad, el ácido fluorhídrico o el ácido sulfúrico se utilizan principalmente como catalizador, y algunas empresas han desarrollado nuevos procesos para catalizadores de sulfonato/SiO_2 soportados y alquilación de isobutano/buteno catalizada por ácido sólido. (4) Un gran número de problemas de contaminación relacionados con la producción química son causados por el uso de solventes y aditivos no tóxicos e inofensivos. Estas contaminaciones no solo provienen de materias primas y productos, sino también de sustancias utilizadas en el proceso de fabricación. Comúnmente medios de reacción, disolventes utilizados en formulaciones y separaciones. Los disolventes más utilizados actualmente son compuestos orgánicos volátiles, algunos de los cuales pueden dañar la capa de ozono y otros pueden dañar la salud humana. Por tanto, es necesario limitar el uso de dichos disolventes. Reemplazar compuestos orgánicos volátiles con solventes no tóxicos e inofensivos se ha convertido en una importante dirección de investigación en química verde. El proyecto de investigación más activo actualmente es el desarrollo de fluidos supercríticos, concretamente dióxido de carbono supercrítico como disolvente. El Premio Académico de 1997 fue otorgado al Profesor J.M. DeSimone de la Universidad de Carolina del Norte por su diseño de un tensioactivo, que es una sustancia que ama el dióxido de carbono y puede producir un efecto anfifílico entre el dióxido de carbono y los solutos, lo que hace que el dióxido de carbono se utilice ampliamente. Como disolvente, puede sustituir a los disolventes orgánicos convencionales que contienen halógenos. Además del uso de disolventes supercríticos, también hay estudios sobre el uso de agua o agua casi crítica como disolvente y reacciones de interfaz entre disolvente orgánico y fase agua. Las reacciones de síntesis orgánica que utilizan agua como medio son una parte importante de las reacciones de síntesis respetuosas con el medio ambiente. Las reacciones orgánicas acuosas son simples y seguras de operar. No hay problemas con los solventes orgánicos inflamables y explosivos. Son ricos en recursos, de bajo costo y libres de contaminación. Aunque el agua es un medio de reacción potencialmente respetuoso con el medio ambiente, inevitablemente conducirá a muchos problemas nuevos, como el efecto hidrófobo de los sustratos orgánicos en el agua, la estabilidad de los sustratos de reacción y los reactivos en el agua, los pares de enlaces de hidrógeno en el agua y el impacto de la reacción. puede cambiar el mecanismo de reacción, etc. Por tanto, el estudio de la síntesis orgánica acuosa se ha convertido en un campo de investigación activo en la química sintética orgánica. El premio académico "Premio al Desafío de Química Verde del Presidente" de 2001 fue otorgado al profesor Li Chaojun, un académico chino en los Estados Unidos. Esto también muestra que la investigación sobre reacciones orgánicas acuosas está recibiendo cada vez más atención. El profesor Li Chaojun ha logrado una serie de innovaciones significativas en el diseño y desarrollo de la intervención de metales de transición y reacciones orgánicas catalíticas en agua y aire. Las reacciones catalíticas en fase acuosa tienen amplias perspectivas de aplicación en la síntesis de fármacos, la síntesis de química fina y la síntesis de polímeros, lo que abre nuevos campos para reacciones de síntesis orgánica que solo pueden realizarse en gases inertes y disolventes orgánicos. ⑤ El uso de recursos renovables para sintetizar productos químicos y el uso de biomasa renovable (materias primas biológicas) para reemplazar el petróleo no renovable actualmente ampliamente utilizado es una dirección de desarrollo a largo plazo y es de gran importancia. Las tecnologías para convertir biomasa en piensos, productos químicos industriales y combustibles son un área de investigación muy activa. El profesor M. Holtzapple de los Estados Unidos ha logrado logros sobresalientes en este campo y ganó el premio académico estadounidense 65438-0996 "President's Green Chemistry Challenge Award". Aunque no hay una conclusión clara sobre si algunos biocatalizadores causarán contaminación, en general, la bioconversión cumple con los requisitos de la química verde y tiene las características de alta eficiencia, alta selectividad y producción limpia.