《绿色化学合成》课件

绿色化学合成21世纪化学的新方向注重环保和可持续发展革新传统合成工艺绿色化学的定义概念核心主要目标化学品设计、生产和使用过程减少或消除有害物质使用与产生实现方向环境友好型化学合成方法绿色化学的发展历程年11991美国环保署首次提出绿色化学概念年21995总统绿色化学挑战奖设立年31998绿色化学十二项原则正式提出年后42000绿色化学全球快速发展绿色化学在全球的推广美国绿色政策欧盟法规国际绿色化学奖REACH《污染防治法》支持绿色化学研究化学品注册、评估与许可管理体系总统绿色化学挑战奖引领行业发展绿色化学的核心目标可持续发展经济与环境平衡高原子利用率减少资源浪费清洁生产减少污染物排放绿色化学的应用领域制药工业精细化工材料科学药物合成路线绿色化改染料、香料等绿色制备生物可降解材料开发造能源产业生物燃料与光伏材料绿色合成为什么需要绿色合成传统合成问题绿色合成优势•有毒试剂大量使用•源头减少污染•原子利用率低下•提高资源利用效率•能源消耗巨大•降低能源消耗•废物处理成本高•减少环境危害绿色化学的项基本原则12预防为主原子经济性产生废物前防止最大化原料转化率12能效设计低毒合成63减少能源消耗减少有毒物质使用54安全溶剂安全设计无害辅助物质功能性与低毒性并重原子经济性计算方法目标产物分子量/全部反应物分子量×100%优化策略选择加成反应代替取代反应工业应用3碳氢键直接官能团化防止废物产生传统末端治理绿色化学方法产生废物后处理源头预防废物成本高、风险大设计零废物工艺二次污染问题催化剂替代化学计量试剂安全与无害化学品的使用80%50%90%减少致癌物降低毒性提高安全性工业溶剂绿色替代后减少致癌物使用比例通过分子设计降低化学品毒性生物基原料替代有机合成降低风险能源效率常温反应微波合成开发室温下进行的合成反应快速、高效的能量传递方式高效催化光催化降低反应活化能利用可见光驱动化学反应可再生原料利用生物质原料可提供多种化学合成平台分子工业应用已实现规模化生产催化与催化剂重要性降低活化能减少反应能耗提高选择性减少副产物循环使用降低资源消耗原子经济性提高转化效率避免衍生化反应直接官能团化无保护基策略串联反应碳氢键活化直接转化避免保护-脱保护步骤一锅多步合成绿色溶剂的选择与使用水离子液体最理想的绿色溶剂可设计性强生物质溶剂超临界CO2乳酸酯类环境友好型萃取绿色氧化反应传统氧化剂问题绿色氧化剂工业应用•重金属氧化剂•分子氧O2•醇类氧化•高毒性•过氧化氢H2O2•烯烃环氧化•金属废物处理难•臭氧O3•芳香族化合物氧化绿色还原反应可持续有机合成一锅法反——应减少分离纯化多步骤在同一反应器进行减少溶剂用量避免中间体分离所需溶剂提高总收率减少中间步骤损失降低能耗减少加热冷却循环次数酯化和硝化的绿色改良传统酯化绿色酯化绿色硝化强酸催化固体酸催化离子交换树脂大量废酸处理酶催化微波辅助条件苛刻无废酸生成低浓度硝酸生物催化在绿色合成中的应用特点优势应用领域•高选择性•手性药物合成•温和条件•复杂糖合成•兼容水环境•特殊酯类制备•可生物降解•多肽合成工业实例•青霉素侧链水解•维生素B2生产•阿卡波糖合成•人工甜味剂固体酸碱催化剂分子筛金属氧化物杂多酸规整孔道结构酸碱性可调强酸性催化离子液体催化与溶剂结构特点物理性质阳离子与阴离子组合低蒸气压、高热稳定性应用案例可设计性Friedel-Crafts反应、酯化反应离子组合超过百万种超临界二氧化碳绿色特性1无毒、不燃、可再生、廉价超临界条件

31.1°C，

73.8bar萃取应用咖啡脱咖啡因、中药提取合成应用氢化反应、聚合反应水基反应体系的创新100%0生物兼容性排放VOC水作为生命溶剂无挥发性有机物排放40%成本节约与有机溶剂相比降低成本微波和超声波辅助合成微波辅助合成超声波辅助合成工业应用•选择性加热•空化效应•药物中间体合成•反应时间缩短•提高混合效率•纳米材料制备•产率提高•促进固-液反应•生物质转化固相合成新技术固相载体1聚合物树脂、硅胶基质连接反应切割--反应物连接、转化、产物释放自动化合成多肽、寡核苷酸自动合成流动化学反应器原料输送精确计量泵微反应器高效传质传热实时监测在线分析产品收集连续分离绿色催化剂的开发趋势纳米催化剂多相复合催化体系仿生催化剂光催化体系酶工程与分子生物学推进绿色合成全细胞催化理性设计定向进化利用整个细胞进行生物转化野生型酶筛选计算机辅助酶结构优化随机突变和选择提高酶活性自然界寻找合适酶类电化学绿色合成优点工业应用•电子作为绿色试剂•阿拉伯糖合成•避免化学氧化还原剂•己二酸制备•室温条件下进行•氟化物合成•高选择性•胺类氧化光催化绿色有机合成光源光催化剂LED、太阳光、荧光灯2有机染料、金属配合物产物形成电子传递自由基或离子反应激发态电子或空穴转移绿色合成中的溶剂创新无溶剂反应最理想状态水作溶剂无毒、安全、廉价生物基溶剂可再生资源制备可回收溶剂离子液体、CO2绿色溶剂与产业转型生物质平台化学品的绿色合成纤维素路线1葡萄糖、乙二醇、乳酸半纤维素路线2糠醛、糠醇、呋喃二甲酸木质素路线芳香族化合物、酚类植物油路线生物柴油、生物润滑油可降解高分子材料合成聚乳酸聚羟基脂肪酸酯淀粉基材料PLA PHA来源于玉米淀粉微生物发酵产物改性天然多糖绿色化学在药物合成中的应用减少步骤高效催化废物减少合成路线简化手性催化剂应用E因子从100+降至10-能源节约温和条件反应绿色农药与农用化学品开发传统农药问题绿色设计原则成功案例•环境持久性•靶向选择性•生物源农药•生物蓄积性•低剂量高效•信息素类农药•非靶向毒性•生物降解性•RNA干扰技术•抗性发展•低环境风险•微生物制剂新能源材料绿色合成锂电池材料水相合成正极材料太阳能电池无铅钙钛矿材料氢燃料电池3低铂催化剂绿色制备超级电容器4生物质碳材料绿色化学在环境修复中的应用95%80%降解效率成本降低纳米铁对氯代烃污染物降解率与传统修复方法相比100%二次污染绿色修复无二次污染问题碳中和与绿色合成的战略对接原料替代过程优化化石原料转向生物基能效提升、废物减少产品创新能源转型4可降解、低碳足迹可再生能源驱动合成绿色合成面临的挑战经济性挑战技术性挑战社会性挑战•成本敏感性•绿色溶剂效率•传统思维惯性•初期投入大•催化剂稳定性•标准体系不完善•规模化难度•工艺复杂性•人才培养滞后•回报周期长•设备改造成本•跨学科合作不足绿色化学政策与标准年12002《中国清洁生产促进法》年22011《绿色化学评价导则》年32016《中国制造2025》绿色制造工程年42020碳达峰碳中和目标企业绿色转型与要求ESG绿色合成技术的前沿进展人工智能辅助设计机器学习预测反应路径高通量自动化合成机器人化学实验室量子化学计算精确预测反应机理合成生物学生物系统重新设计绿色合成未来的发展趋势智能制造数字化驱动绿色合成循环经济2废物再利用创造价值跨学科融合多领域协同创新全球协作共同应对环境挑战绿色化学的社会影响健康影响经济影响教育影响•减少有毒物质接触•创造绿色就业•公众环保意识提升•降低职业病风险•形成新兴产业•化学专业课程改革•改善环境质量•降低环境治理成本•绿色思维培养绿色合成教育与人才培养高校课程产学研合作在线教育绿色化学原理专业课企业联合实验室绿色化学MOOC课程绿色合成的典型国际合作项目中欧绿色制造计划联合国可持续化工项目清洁生产技术交流与共享发展中国家技术援助亚太绿色化学网络国际绿色化学教育联盟区域合作平台学术资源共享总结与展望历史成就当前挑战绿色化学已取得显著进展技术与经济平衡行动呼吁未来机遇全社会共同参与数字化与绿色融合。