关于绿色化学概念的讨论

沈玉龙，舒世立

（唐山师范学院 化学系，河北 唐山 063000）

关于绿色化学概念的讨论

沈玉龙，舒世立

（唐山师范学院 化学系，河北 唐山 063000）

随着绿色化学研究和实践的不断深入，其定义在不断的发展和变化，其内涵也逐步变得完善和丰富。基于对绿色化学相关文献的研究和分析，就绿色化学的定义、原则及其评估指标等进行阐述，期望对绿色化学概念及内涵能给出一个相对清晰的认识。

绿色化学；定义；原则；指标

绿色化学诞生于1990年代，是人类面对日益严重的环境问题重新审视传统化学而得到的新的科学思想。绿色化学这一概念经受住了时间的考验，如今“绿色化学”已众所周知并被普遍使用。经过20年的研究与发展，绿色化学由认识变成实践，正在为合理利用资源、解决环境污染和可持续发展等发挥重要的作用。随着绿色化学研究和实践的不断深入，其定义也在不断的发展和变化，其内涵也逐步变得完善和丰富。基于对绿色化学相关文献的研究和分析，本文就绿色化学的定义、原则、评估标准等方面进行阐述，期望对绿色化学概念内涵能给出一个相对清晰的认识。

1 绿色化学的定义

“绿色化学”一词最早见于Cathcart在1990年发表的一篇论文[1]。1993年美国环境保护署将其1991年启动的“为污染预防变更合成路线”研究计划更名为“绿色化学计划”，并赋予了“绿色化学”用化学预防污染的含义。在上世纪80年代到90年代，绿色化学也被称为环境无害化学、环境友好化学、清洁化学、可持续化学，目前比较统一的名称为绿色化学。

1996年Anastas（被誉为“绿色化学之父”）和Williamson给出了绿色化学的第一个较为明确的定义[2]。“绿色化学是用化学的技术和方法去减少或消除那些对人类健康或环境有危险的原料、产物、副产物、溶剂和试剂等的使用或产生”[3]。

1998年Anastas和Warner出版了被誉为经典之作的专著《Green chemistry: theory and practice》，并将绿色化学定义为：“利用一系列原理来降低或消除在化学产品的设计、生产和应用中危险物质的使用或产生”[4]。

1999年Anastas又将绿色化学定义为：“设计能降低或消除危险物质的使用和产生的化学产品和过程”[5]。

随后“绿色化学”被国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）认可，并被定义为：“发明、设计和应用能降低或消除危险物质的使用和产生的化学产品和过程”[6]。

美国化学会（ACS）将绿色化学定义为：“设计、开发和实施能减少或消除那些对人类健康和生态环境有危险的物质的使用和产生的化学产品和过程”[7]。

定义中的“设计”是绿色化学中最重要的要素，新化学产品和化学过程的设计阶段是一个关键的阶段，需要有意识、深思熟虑地使用一系列的标准、原理和方法，对分子设计和化学合成方法要仔细的恰当的规划，以降低化学产品和过程对人类健康和生态环境影响，设计标准中必须包括物质危险性的相关指标。定义中的“使用和产生”意味着要求预先考虑产品的使用是否危险、产品使用寿命结束之后的处置或回收使用是否产生环境污染；不仅要考虑化学过程中意外产生的不合需要的物质，还要考虑过程中使用的所有物质。即在化学产品整个生命周期中，从原料来源到生产、配送、使用、使用寿命结束之后的处置或回收使用，考虑降低或消除危险的物质。定义中的“危险”一词具有宽广的含义，危险是对人类或环境能造成不良后果的能力，包括物理危险（如爆炸性、燃烧性、氧化性等）、毒性危险（如急慢性毒性、致癌性、生态毒性等）和全球性危险（如平流层臭氧消耗、气候变化等）。

从以上分析并比较前面的几个定义，Anastas在1999年提出的绿色化学定义用词简洁、内涵完整；此定义被美国环境保护署采用，也被文献引用的最多，因此成为绿色化学的经典定义。

从定义的变化可以看出，绿色化学刚出现时，它更多地是代表一种认识、一种理念，就是用化学去预防污染；随着研究的深入，绿色化学变成了一种行动、一种防止污染的实践，即设计对人类健康和生态环境影响较小的化学产品和过程，通过深思熟虑的分子设计，开发既保持功能同时危险最小的新物质，从源头上减少或预防化学品的危险。绿色化学作为化学产品和化学过程的一个设计框架，它有三个要点[8]：绿色化学要对化学产品整个生命周期的全部阶段进行设计；绿色化学要对化学产品和过程的内在性质进行设计，以减少它们的固有危险；绿色化学以一套系统的紧密结合的原则作为设计准则。由此看出，绿色化学与传统理念不同，传统上人们通过环境法规来控制危险物质的暴露性来降低风险，如建立“安全”浓度和接触限值等；绿色化学则通过降低或消除物质内在的危险性来降低风险，目标是在设计阶段就消除危险。与传统化学比较，绿色化学把“危险”作为化学产品和过程的性能指标，认为存在“危险”是设计的缺陷。

2 绿色化学12条原则

Anastas和Warner从源头上降低或消除化学污染的角度出发，在1998年提出了著名的绿色化学12条原则[4]，对绿色化学定义做了进一步阐明。Hjeresen等[9]用12个关键词语来概括这12条原则：（1）预防（Prevention）；（2）原子经济性（Atom Economy）；（3）较小危险的化学合成（Less Hazardous Chemical Syntheses）；（4）设计安全化学品（Designing Safer Chemicals）；（5）安全溶剂和助剂（Safer Solvents and Auxiliaries）；（6）为能源效率而设计（Design for Energy Efficiency）；（7）使用可再生原料（Use of Renewable Feedstocks）；（8）减少衍生物（Reduce Derivatives）；（9）催化（Catalysis）；（10）为可降解而设计（Design for Degradation）；（11）适合污染预防的实时分析（Real-Time Analysis for Pollution Prevention）；（12）适合事故预防的本质安全化学（Inherently Safer Chemistry for Accident Prevention）。绿色化学12条原则的这种概括性的表述被广为接受和传播，Anastas本人也引用这种表述[8]。Sheldon把绿色化学原则的精髓简化为一句话：“在制造和应用化学产品时，绿色化学高效地利用原料（最好是可再生的）、消除废物和避免使用有毒的或危险的试剂和溶剂”[10]。有些文献[11,12]把Anastas等[13]提出的12个挑战性的问题理解为新的或补充的12条原则是不准确的。

绿色化学12条原则不是12个独立的目标，而是一个整体的紧密结合的体系。绿色化学12条原则能处理化学反应过程从化学原料（原则7）到化学品寿命终止（原则10）的所有环节。在每个环节均给出了建议：反应物的选择（原则9）、溶剂的选择（原则5）、反应条件的选择（原则6）、化学反应的规划（原则2、4、8）和化学反应的监控（原则11）等。总之，绿色化学12条原则促进了化学学科的更安全（原则3、4、12）、更高效（原则1、2）[14]。绿色化学12条原则给出了设计化学产品和过程指导方针，力图在化学产品生命周期的每个阶段都要最大化效率、最小化对健康和环境的危险。

3 绿色化学评估指标

一个绿色化学过程应使制造产品的原材料最大化的转化和辅助化学品最大化的重复使用，这样就减少了废物的产生和自然资源的消耗。一个过程的“绿色”程度需要评估指标来鉴定。一般认为，一个好的评估指标应该是简单、容易测量、定义清晰、客观，最终能导向正确的行为。过去的20年，绿色化学开发了很多基于质量的评估指标，目前最常用的有三个指标：原子经济性、环境因子和过程质量强度（Process mass intensity，PMI）[15]。原子经济性和环境因子在文献中已被广泛讨论，这里不再赘述。

过程质量强度的定义式及计算公式如下[15]：

过程质量强度=(制造产品所使用的所有材料的质量)/目标产品质量

“制造产品所使用的所有材料”包括反应、提纯过程中使用的反应物、试剂、溶剂（包括水）以及催化剂等。

过程质量强度包含了污染预防的核心概念。如果过程质量强度等于1，意味着进入工艺过程中的化学原材料100%转化为产物，辅助化学品100%被循环再使用，没有废物产生。过程质量强度大于1，表明有废物产生。

当计算环境因子时，如果也考虑水的因素（计算环境因子时，一般认为水不构成一个重要的环境影响，所以不考虑水[16]），过程质量强度与环境因子相比较，两者的关系为：环境因子=过程质量强度-1。

过程质量强度是近年来评估化学过程的一个受到关注的指标；美国化学会绿色化学协会制药圆桌会议（ACS GCIPR）把过程质量强度作为在药物合成中优先选择的指标[17]；Watson调查了21家世界著名的制药和精细化工公司，14家公司（占67%）使用过程质量强度作为过程评价指标，是应用最多的一个评估指标[18]。

4 绿色化学面临的问题

绿色化学通过设计更安全的化学过程和较小危险性的化学品，为可持续的未来提供了一个框架。随着绿色化学研究和实践的发展，目前绿色化学也面临着巨大的科学挑战[19]：（1）为使化学品和过程对人类健康和环境的危险达到最小化，如何操控分子设计？（2）在进行化学产品和过程设计时，如何使绿色化学12条原则的每条原则全部被优化，达到协同增效效应的目标？（3）如何重新定义化学产品和过程的性能，使它们既具有功能同时又最小化危险，不产生意外的后果？（4）如何使用新设计，使其作为变革性创新的基础，而不是对现状的简单改善？

可持续文明需要健康的环境和健康的经济，绿色化学实践已证明创新的科学的“设计”能帮助我们同时完成这两个目标，实现经济与环境的双赢。绿色化学期求在分子水平上实现可持续发展，应该说绿色化学是今天的化学，也是未来的化学。

[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.

[6] Tundo P, Anastas P T, Black D C, et al. Synthetic pathways and processes in green chemistry. Introductory overview[J]. Pure Appl Chem, 2000, 72(7): 1207-1228.

[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.

[8] Anastas P T, N Eghbali N. Green Chemistry: Principles and Practice[J]. Chem Soc Rev, 2010, 39(1): 301-312.

[9] Hjeresen D L, Schutt D L, Boese J M. Green Chemistry and Education[J]. J Chem Educ, 2000, 77(12): 1543-1547.

[10] Sheldon R A. Fundamentals of green chemistry: efficiency in reaction design[J]. Chem Soc Rev, 2012, 41(4): 1437-1451.

[11] 纪红兵,佘远斌.绿色化学化工基本问题的发展与研究[J].化工进展,2007,26(5):605-614.

[12] 蔡卫权,程蓓,张光旭,等.绿色化学原则在发展[J].化学进展,2009,21(10):2001-2008.

[13] Anastas P T, Kirchhoff M M. Origins, current status, and future challenges of green chemistry[J]. Acc Chem Res, 2002, 35(9): 686-694.

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[15] Dunn P J. The importance of Green Chemistry in Process Research and Development[J]. Chem Soc Rev, 2012, 41(4): 1452-1461.

[16] Sheldon R A. The E Factor: fifteen years on[J]. Green Chem, 2007, 9(12): 1273–1283.

[17] Jimenez-Gonzalez C, Ponder C S, Broxterman Q B, et al. Using the Right Green Yardstick: Why Process Mass Intensity Is Used in the Pharmaceutical Industry To Drive More Sustainable Processes[J]. Org Process Res Dev, 2011, 15(4): 912-917.

[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.

（责任编辑、校对：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

河北省专业综合改革试点项目（应用化学专业）

2013-07-26

沈玉龙（1964-），男，河北沧州人，硕士，教授，研究方向为绿色化学与工艺。