關于綠色化學概念的討論

沈玉龍，舒世立

（唐山師范學院 化學系，河北 唐山 063000）

關于綠色化學概念的討論

沈玉龍，舒世立

（唐山師范學院 化學系，河北 唐山 063000）

隨著綠色化學研究和實踐的不斷深入，其定義在不斷的發展和變化，其內涵也逐步變得完善和豐富。基于對綠色化學相關文獻的研究和分析，就綠色化學的定義、原則及其評估指標等進行闡述，期望對綠色化學概念及內涵能給出一個相對清晰的認識。

綠色化學；定義；原則；指標

綠色化學誕生于1990年代，是人類面對日益嚴重的環境問題重新審視傳統化學而得到的新的科學思想。綠色化學這一概念經受住了時間的考驗，如今“綠色化學”已眾所周知并被普遍使用。經過20年的研究與發展，綠色化學由認識變成實踐，正在為合理利用資源、解決環境污染和可持續發展等發揮重要的作用。隨著綠色化學研究和實踐的不斷深入，其定義也在不斷的發展和變化，其內涵也逐步變得完善和豐富。基于對綠色化學相關文獻的研究和分析，本文就綠色化學的定義、原則、評估標準等方面進行闡述，期望對綠色化學概念內涵能給出一個相對清晰的認識。

1 綠色化學的定義

“綠色化學”一詞最早見于Cathcart在1990年發表的一篇論文[1]。1993年美國環境保護署將其1991年啟動的“為污染預防變更合成路線”研究計劃更名為“綠色化學計劃”，并賦予了“綠色化學”用化學預防污染的含義。在上世紀80年代到90年代，綠色化學也被稱為環境無害化學、環境友好化學、清潔化學、可持續化學，目前比較統一的名稱為綠色化學。

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

1998年Anastas和Warner出版了被譽為經典之作的專著《Green chemistry: theory and practice》，并將綠色化學定義為：“利用一系列原理來降低或消除在化學產品的設計、生產和應用中危險物質的使用或產生”[4]。

1999年Anastas又將綠色化學定義為：“設計能降低或消除危險物質的使用和產生的化學產品和過程”[5]。

隨后“綠色化學”被國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）認可，并被定義為：“發明、設計和應用能降低或消除危險物質的使用和產生的化學產品和過程”[6]。

美國化學會（ACS）將綠色化學定義為：“設計、開發和實施能減少或消除那些對人類健康和生態環境有危險的物質的使用和產生的化學產品和過程”[7]。

定義中的“設計”是綠色化學中最重要的要素，新化學產品和化學過程的設計階段是一個關鍵的階段，需要有意識、深思熟慮地使用一系列的標準、原理和方法，對分子設計和化學合成方法要仔細的恰當的規劃，以降低化學產品和過程對人類健康和生態環境影響，設計標準中必須包括物質危險性的相關指標。定義中的“使用和產生”意味著要求預先考慮產品的使用是否危險、產品使用壽命結束之后的處置或回收使用是否產生環境污染；不僅要考慮化學過程中意外產生的不合需要的物質，還要考慮過程中使用的所有物質。即在化學產品整個生命周期中，從原料來源到生產、配送、使用、使用壽命結束之后的處置或回收使用，考慮降低或消除危險的物質。定義中的“危險”一詞具有寬廣的含義，危險是對人類或環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年提出的綠色化學定義用詞簡潔、內涵完整；此定義被美國環境保護署采用，也被文獻引用的最多，因此成為綠色化學的經典定義。

從定義的變化可以看出，綠色化學剛出現時，它更多地是代表一種認識、一種理念，就是用化學去預防污染；隨著研究的深入，綠色化學變成了一種行動、一種防止污染的實踐，即設計對人類健康和生態環境影響較小的化學產品和過程，通過深思熟慮的分子設計，開發既保持功能同時危險最小的新物質，從源頭上減少或預防化學品的危險。綠色化學作為化學產品和化學過程的一個設計框架，它有三個要點[8]：綠色化學要對化學產品整個生命周期的全部階段進行設計；綠色化學要對化學產品和過程的內在性質進行設計，以減少它們的固有危險；綠色化學以一套系統的緊密結合的原則作為設計準則。由此看出，綠色化學與傳統理念不同，傳統上人們通過環境法規來控制危險物質的暴露性來降低風險，如建立“安全”濃度和接觸限值等；綠色化學則通過降低或消除物質內在的危險性來降低風險，目標是在設計階段就消除危險。與傳統化學比較，綠色化學把“危險”作為化學產品和過程的性能指標，認為存在“危險”是設計的缺陷。

2 綠色化學12條原則

Anastas和Warner從源頭上降低或消除化學污染的角度出發，在1998年提出了著名的綠色化學12條原則[4]，對綠色化學定義做了進一步闡明。Hjeresen等[9]用12個關鍵詞語來概括這12條原則：（1）預防（Prevention）；（2）原子經濟性（Atom Economy）；（3）較小危險的化學合成（Less Hazardous Chemical Syntheses）；（4）設計安全化學品（Designing Safer Chemicals）；（5）安全溶劑和助劑（Safer Solvents and Auxiliaries）；（6）為能源效率而設計（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）為可降解而設計（Design for Degradation）；（11）適合污染預防的實時分析（Real-Time Analysis for Pollution Prevention）；（12）適合事故預防的本質安全化學（Inherently Safer Chemistry for Accident Prevention）。綠色化學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把綠色化學原則的精髓簡化為一句話：“在制造和應用化學產品時，綠色化學高效地利用原料（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[11,12]把Anastas等[13]提出的12個挑戰性的問題理解為新的或補充的12條原則是不準確的。

綠色化學12條原則不是12個獨立的目標，而是一個整體的緊密結合的體系。綠色化學12條原則能處理化學反應過程從化學原料（原則7）到化學品壽命終止（原則10）的所有環節。在每個環節均給出了建議：反應物的選擇（原則9）、溶劑的選擇（原則5）、反應條件的選擇（原則6）、化學反應的規劃（原則2、4、8）和化學反應的監控（原則11）等。總之，綠色化學12條原則促進了化學學科的更安全（原則3、4、12）、更高效（原則1、2）[14]。綠色化學12條原則給出了設計化學產品和過程指導方針，力圖在化學產品生命周期的每個階段都要最大化效率、最小化對健康和環境的危險。

3 綠色化學評估指標

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

過程質量強度的定義式及計算公式如下[15]：

過程質量強度=(制造產品所使用的所有材料的質量)/目標產品質量

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

過程質量強度包含了污染預防的核心概念。如果過程質量強度等于1，意味著進入工藝過程中的化學原材料100%轉化為產物，輔助化學品100%被循環再使用，沒有廢物產生。過程質量強度大于1，表明有廢物產生。

當計算環境因子時，如果也考慮水的因素（計算環境因子時，一般認為水不構成一個重要的環境影響，所以不考慮水[16]），過程質量強度與環境因子相比較，兩者的關系為：環境因子=過程質量強度-1。

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

4 綠色化學面臨的問題

綠色化學通過設計更安全的化學過程和較小危險性的化學品，為可持續的未來提供了一個框架。隨著綠色化學研究和實踐的發展，目前綠色化學也面臨著巨大的科學挑戰[19]：（1）為使化學品和過程對人類健康和環境的危險達到最小化，如何操控分子設計？（2）在進行化學產品和過程設計時，如何使綠色化學12條原則的每條原則全部被優化，達到協同增效效應的目標？（3）如何重新定義化學產品和過程的性能，使它們既具有功能同時又最小化危險，不產生意外的后果？（4）如何使用新設計，使其作為變革性創新的基礎，而不是對現狀的簡單改善？

可持續文明需要健康的環境和健康的經濟，綠色化學實踐已證明創新的科學的“設計”能幫助我們同時完成這兩個目標，實現經濟與環境的雙贏。綠色化學期求在分子水平上實現可持續發展，應該說綠色化學是今天的化學，也是未來的化學。

[1] Cathcart C. Green Chemistry in the Emerald Isle[J]. Chem Ind(London), 1990(11): 684-687.

[2] Linthorst J A. An overview: origins and development of green chemistry[J]. Found Chem, 2010, 12(1): 55-68.

[3] Anastas P T, Williamson T C. Green chemistry: designing chemistry for the environment[M]. Washington DC: ACS Symposium Series 626, American Chemical Society, 1996: 2.

[4] Anastas P T, Warner J C. Green chemistry: theory and practice[M]. New York: Oxford University Press Inc. 1998: 11-56.

[5] Anastas P T. Green Chemistry and the Role of Analytical Methodology Development[J]. Critical Reviews in Analytical Chemistry, 1999, 29(3): 167-175.

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[7] American Chemical Society. Green Chemistry at a Glance [EB/OL]. http://www.acs.org/content/acs/en/greenchemistry/about/green-chemistry-at-a-glance.html/2013-7-18.

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[12] 蔡衛權,程蓓,張光旭,等.綠色化學原則在發展[J].化學進展,2009,21(10):2001-2008.

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[18] Watson W J W. How do the fine chemical, pharmaceutical, and related industries approach green chemistry and sustainability?[J]. Green Chem, 2012, 14(2): 251-259.

[19] Anastas P T. Twenty Years of Green Chemistry[J]. Chemical & Engineering News, 2011, 89(26): 62-65.

（責任編輯、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

河北省專業綜合改革試點項目（應用化學專業）

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與工藝。