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人类的环境危机、能源危机和健康危机，无不与化学化工相关。从科技层面考虑解决这一系列的危机问题，根治环境污染，改善生态状况，保护生存资源的必由之路，就是大力开展绿色化学研究。
什么是绿色化学
绿色化学是利用化学原理和方法，去减少或消灭那些对人类健康和生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂、产物、副产物等生产和应用的一门新兴交叉学科，具有明确的科学目标和社会需求。它吸收了当代物理、生物、材料、信息和计算机等学科的最新理论和技术，是当今国际化学科学研究的前沿。
绿色化学（Green Chemistry）又称环境无害化学（Environmentally Benign Chemistry）、环境友好化学（Environmentally Friendly Chemistry）、清洁化学（Clean Chemistry）。绿色化学的目标指向有两个方面，一是设计、生产和使用环境友好产品，即减少或消灭那些对人类健康和生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂的使用或有害产物的生成；二是采用“原子经济”反应，指在获取新物质的化学反应过程中，充分利用参与反应的每个原料原子，实现过程和终端的零排放，即反应物百分之百地转化成目标产物。绿色化学的理想目标在于不再使用有毒、有害的物质，不再产生废物，不再处理废物。绿色化学从防止污染和节约资源两方面来重新审视和改革现有的整个化学和工业体系。从科学观点来看，绿色化学是对传统化学思维方式的更新和发展；从环境观点来看，它是从源头上消除污染；从经济观点来看，它合理利用资源和能源，降低生产成本，符合经济可持续发展的要求。
绿色化学体现在化工领域，就产生了“清洁生产”的概念。对于生产过程而言，清洁生产不仅要求节约能源和原料，同时也要求淘汰有害原料，减少污染物和废物的排放，减少生产过程中有害物质的使用和生成；对产品而言，清洁生产策略旨在减少产品在整个生命周期过程中（从原料的提炼到产品的最终处理）对人类环境的影响，不仅要关注产品生产过程中可能造成的危害，还要注意产品使用后可能造成的环境问题。从清洁生产的定义和内涵可知，清洁生产是以综合预防污染为目的的环境战略，以节能、降耗、减污、增效为宗旨，是实现可持续发展的重要手段。
化学反应中的原子经济性
1991年，美国斯坦福大学的特罗斯特教授（B. M. Trost）首次提出了反应“原子经济性”（Atom Economy）的概念。他认为高效的化学反应最大限度地利用原料分子中的每一个原子，其目标是在设计化学合成时，使原料分子中的原子更多或全部地变成最终希望的产品（即目标产物）中的原子。
一个化学反应的原子经济性可用其原子利用率来衡量，原子利用率被定义为：
原子利用率=（目标产物的量/各反应物质的量之和）×100%。
从理论上讲，原子利用率越高，资源的利用率越高，反应产生的废物越少，对环境造成的污染也越少。
以乙烯制备环氧乙烷（一种杀菌消毒剂）为例，经典方法是将乙烯C2H4与氯气Cl2和氢氧化钙Ca（OH）2反应，产生目标产物环氧乙烷C2H4O，以及副产物氯化钙CaCl2和水H2O。总反应式为：
其中各反应物的量之和为28+71+74=173，目标产物的量为44，副产物（废物）的量为111+18=129。原子利用率=（44÷173）×100%=25.4%。
由计算结果可知，每生产一份环氧乙烷，就会有大约3倍的副产物（即废物）氯化钙和水生成，显然原料浪费很大。由于这种合成方法在理论上就存在副产物，所以在实际生产中，无论怎样对工艺进行改进，原料都不能全部转化为目标产物，资源的浪费是必然的。此外，该方法还使用了有毒有害的气体氯气，不仅存在污染问题，还存在对设备严格要求及产品的分离提纯等问题。所以这种合成方法与绿色化学的要求相差甚远。为此，人们采用了一个新的方法：
原子利用率=[44÷（28+16）]×100%=100%
该方法以银为催化剂，用氧气直接氧化乙烯一步合成环氧乙烷，反应的原子利用率达到了100%，其原料得到最大限度的利用，不仅节约了资源，还减少了污染。
原子经济性概念的提出，使合成路线设计者们有了更为科学的导向，它引导化学家们在设计合成路线的过程中，如何经济地利用原料中的每一个原子，如何尽量避免各种辅助基团的使用，从而设计出对环境更为友好的合成路线。特罗斯特教授把原子经济性和选择性作为评估化学合成效率的新标准，这个新标准下的合成效率不仅考虑了资源的有效利用，也考虑了污染的减少；不仅反映了经济上的效率，也体现了环境上的效应。“原子经济性”的重要性目前已被普遍认可，特罗斯特教授也因此获得了1998年度美国总统绿色化学挑战奖的学术奖。
选择“绿色”催化剂
绿色化学的任务，就是运用化学原理、最现代化的手段和方法，使化学品的设计、生产和使用的整个过程对人类和环境均不产生危害。绿色化学的主要研究内容包括：设计更安全的化学品，选择绿色原料和试剂，选择绿色溶剂，选择绿色催化剂，设计原子经济的合成路线，等等。本文限于篇幅，以下仅对如何选择绿色催化剂作一介绍。
在化学工业中，催化剂扮演着不可缺少的重要角色。比如我们日常生活中穿的、用的，大多都是由合成材料制作的，而这些合成材料都是石油、煤或天然气借助催化剂的作用经过种种反应制得的。人们利用各种各样的催化剂，把石油和天然气变成了五光十色的塑料、衣料等等。催化剂的特殊功能主要表现在两个方面：一是加快反应速度，降低能耗；二是提高反应的选择性，控制化学反应方向，控制产物的立体结构。
根据绿色化学原理，我们除了要设计出新型高效的催化剂以外，还要关注催化剂本身可能带来的环境问题。由于催化剂本身也是各种化学物质，因此它们的使用就有可能对人体及环境构成危害。历史上由于催化剂的毒性引起的污染曾给人类带来沉重的教训，典型的实例就是发生在日本因汞催化剂污染引发的水俣病。20世纪中叶，世界主要的化学原料是煤，当时大量采用由煤经电石法制备的乙炔为原料，在硫酸汞催化剂作用下制取乙醛。废硫酸汞催化剂掺在污水中排放到大海里转化为甲基汞，这种物质溶于海水中，经过鱼食后被浓缩，人又不断食用这种鱼，就在体内积累了汞，最终导致脑细胞遭破坏，造成震惊世界的水俣病事件。20世纪60～70年代，世界各地多处出现水俣病，造成许多人死亡。
随着环境问题的日益突出，催化过程所引起的腐蚀、污染问题引起了人类越来越多的关注。特别是像无机酸、碱、金属卤化物、金属羰基化合物、有机金属络合物等催化剂，本身就具有强烈的毒性、腐蚀性，甚至有致癌作用，它们的使用会引起严重设备腐蚀问题，且对操作人员的安全构成危害。因此开发无毒无害的催化剂就显得尤为重要。
在新型的“绿色”催化剂中，人们比较关注的是固体酸催化剂和酶催化剂。
由于液体酸催化剂具有强烈的腐蚀性，再加之其在各种催化剂中的使用量占3/4之多，因此开发无毒无害的固体酸催化剂来替代液体酸催化剂就显得更为重要。和液体酸相比，固体酸催化不存在原料、产物和催化剂分离以及设备腐蚀等问题。目前已有一批固体酸用于酸催化，如混合氧化物、杂多酸、超强酸、沸石分子筛、金属磷酸盐/硫酸盐、离子交换树脂等。
我国科研人员在研究杂多酸作为反应的催化剂方面也取得了可喜的成果，如用杂多酸作为催化剂，催化异丁烷与1-丁烯进行烷基化反应，在控制一定温度、保持一定的烷烯比条件下，C8的选择性可达100%。该项成果于1996年申请了国家专利。
固体酸催化剂的问世，是酸催化研究的一大转折，这不仅可进行多相反应，解决均相反应带来的问题，而且由于可在高达400～500摄氏度的温度范围内使用，大大扩大了热力学上可能进行的酸催化反应的应用范围。但目前仍有许多反应依然使用传统的酸工艺，一方面液体强酸对许多反应具有高的活性，另一方面针对某一反应采用固体酸催化剂不论在其活性还是在工艺上仍有许多问题有待深入。但固体酸催化剂及其新的催化工艺的研究仍是21世纪绿色化学中广泛关注的问题之一，其前景十分乐观。
酶是由细胞产生的具有催化能力的蛋白质，它是生物体内进行自我复制、新陈代谢所不可缺少的生物催化剂，它在生物体内发挥的作用可以说是淋漓尽致。生物体内的消化过程就相当于一系列的化学反应过程，而这种过程都是在不同性能的酶的作用下进行的。比如在淀粉酶的催化下，淀粉可以水解成糊精和麦芽糖；在脂肪酶的作用下，油脂可以转化为脂肪酸和甘油。酶在一秒钟内，能够联结或拆散数以千计的生物分子，又可以迅速地把分解的各种各样的微粒，合成为所需要的各种物质，而且其在作为催化剂时表现出诸多优异性能。与普通催化剂相比，酶是高效而又无害的绿色催化剂，它的优异性能表现在：（1）高效性：普通催化剂一般能使反应速度加快104～105倍，而酶可以加快109～1010倍；（2）专一性：只能催化某种类型的反应，或者只对某种物质发生作用；（3）反应条件温和：所有酶催化的反应都是在常温常压下进行的，而普通催化剂多数情况下要求高温、高压、强酸、强碱等条件；（4）多样性：酶的种类极其繁多，远远超过传统的化学催化剂的种类。
大量酶催化剂的使用，还可以提高资源的利用率，减少“三废”的排放，有利于生态环境。在石油化工业，利用微生物细胞内复合酶的作用，可将乙烯、丙烯和丙腈等合成为环氧乙烷、环氧丙烷和丙烯酰胺及其他所需产品；在食品工业，应用的酶多达几十种，诸如淀粉酶、蛋白酶、葡萄糖氧化酶、果胶酶等，广泛用于制造酱油、饴糖、啤酒等产品，既简化设备、流程，又节约大量粮食；在皮革工业，利用角蛋白酶使兽皮脱毛、裘皮软化、丝绸脱胶，降低了能耗，缩短了工时，提高了产品的质量，减少了污染；在农业上，用淀粉酶和纤维酶处理饲料，制成青贮饲料和糖化饲料，提高了饲料的营养价值。值得一提的是化学模拟生物固氮已有很大进展，人们从固氮微生物体内将固氮酶分离出来，对固氮酶的结构及固氮功能间的相互关系积累了大量基础知识，为化学方法模拟生物固氮酶在温和条件下固定氮的方法奠定了基础。此外，酶还被广泛应用于生物工程、纺织和医疗等行业。
酶催化剂的研制和开发还在不断地深入。据悉，美国南伊利诺大学卡本代尔分校的研究人员已开发出一种采用三种酶来转化二氧化碳排放气体成为甲醇的方法。该工艺技术对于要控制二氧化碳温室气体排放的能源密集型工业来说，是一种经济有效的方法。该工艺就是让二氧化碳通过一种浸入有两种细菌酶的水中的多孔硅胶，这两种酶菌是：纤维素脱氢酶和甲醛脱氢酶。纤维素脱氢酶把二氧化碳转化为甲酸，然后由甲醛脱氢酶使其进一步转化为甲醛，最后在人肝酶（醇类脱氢酶）的作用下，甲醛转化为甲醇。该工艺的一个缺点是存在潜在的可逆性，但有一种叫做NAD的物质可以阻止这种可逆性。目前研究人员正在开发一种可循环利用这种物质的工艺，以降低生产成本，使之能够大规模地工业化。
（作者单位：安徽师范大学）
什么是绿色化学
绿色化学是利用化学原理和方法，去减少或消灭那些对人类健康和生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂、产物、副产物等生产和应用的一门新兴交叉学科，具有明确的科学目标和社会需求。它吸收了当代物理、生物、材料、信息和计算机等学科的最新理论和技术，是当今国际化学科学研究的前沿。
绿色化学（Green Chemistry）又称环境无害化学（Environmentally Benign Chemistry）、环境友好化学（Environmentally Friendly Chemistry）、清洁化学（Clean Chemistry）。绿色化学的目标指向有两个方面，一是设计、生产和使用环境友好产品，即减少或消灭那些对人类健康和生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂的使用或有害产物的生成；二是采用“原子经济”反应，指在获取新物质的化学反应过程中，充分利用参与反应的每个原料原子，实现过程和终端的零排放，即反应物百分之百地转化成目标产物。绿色化学的理想目标在于不再使用有毒、有害的物质，不再产生废物，不再处理废物。绿色化学从防止污染和节约资源两方面来重新审视和改革现有的整个化学和工业体系。从科学观点来看，绿色化学是对传统化学思维方式的更新和发展；从环境观点来看，它是从源头上消除污染；从经济观点来看，它合理利用资源和能源，降低生产成本，符合经济可持续发展的要求。
绿色化学体现在化工领域，就产生了“清洁生产”的概念。对于生产过程而言，清洁生产不仅要求节约能源和原料，同时也要求淘汰有害原料，减少污染物和废物的排放，减少生产过程中有害物质的使用和生成；对产品而言，清洁生产策略旨在减少产品在整个生命周期过程中（从原料的提炼到产品的最终处理）对人类环境的影响，不仅要关注产品生产过程中可能造成的危害，还要注意产品使用后可能造成的环境问题。从清洁生产的定义和内涵可知，清洁生产是以综合预防污染为目的的环境战略，以节能、降耗、减污、增效为宗旨，是实现可持续发展的重要手段。
化学反应中的原子经济性
1991年，美国斯坦福大学的特罗斯特教授（B. M. Trost）首次提出了反应“原子经济性”（Atom Economy）的概念。他认为高效的化学反应最大限度地利用原料分子中的每一个原子，其目标是在设计化学合成时，使原料分子中的原子更多或全部地变成最终希望的产品（即目标产物）中的原子。
一个化学反应的原子经济性可用其原子利用率来衡量，原子利用率被定义为：
原子利用率=（目标产物的量/各反应物质的量之和）×100%。
从理论上讲，原子利用率越高，资源的利用率越高，反应产生的废物越少，对环境造成的污染也越少。
以乙烯制备环氧乙烷（一种杀菌消毒剂）为例，经典方法是将乙烯C2H4与氯气Cl2和氢氧化钙Ca（OH）2反应，产生目标产物环氧乙烷C2H4O，以及副产物氯化钙CaCl2和水H2O。总反应式为：
其中各反应物的量之和为28+71+74=173，目标产物的量为44，副产物（废物）的量为111+18=129。原子利用率=（44÷173）×100%=25.4%。
由计算结果可知，每生产一份环氧乙烷，就会有大约3倍的副产物（即废物）氯化钙和水生成，显然原料浪费很大。由于这种合成方法在理论上就存在副产物，所以在实际生产中，无论怎样对工艺进行改进，原料都不能全部转化为目标产物，资源的浪费是必然的。此外，该方法还使用了有毒有害的气体氯气，不仅存在污染问题，还存在对设备严格要求及产品的分离提纯等问题。所以这种合成方法与绿色化学的要求相差甚远。为此，人们采用了一个新的方法：
原子利用率=[44÷（28+16）]×100%=100%
该方法以银为催化剂，用氧气直接氧化乙烯一步合成环氧乙烷，反应的原子利用率达到了100%，其原料得到最大限度的利用，不仅节约了资源，还减少了污染。
原子经济性概念的提出，使合成路线设计者们有了更为科学的导向，它引导化学家们在设计合成路线的过程中，如何经济地利用原料中的每一个原子，如何尽量避免各种辅助基团的使用，从而设计出对环境更为友好的合成路线。特罗斯特教授把原子经济性和选择性作为评估化学合成效率的新标准，这个新标准下的合成效率不仅考虑了资源的有效利用，也考虑了污染的减少；不仅反映了经济上的效率，也体现了环境上的效应。“原子经济性”的重要性目前已被普遍认可，特罗斯特教授也因此获得了1998年度美国总统绿色化学挑战奖的学术奖。
选择“绿色”催化剂
绿色化学的任务，就是运用化学原理、最现代化的手段和方法，使化学品的设计、生产和使用的整个过程对人类和环境均不产生危害。绿色化学的主要研究内容包括：设计更安全的化学品，选择绿色原料和试剂，选择绿色溶剂，选择绿色催化剂，设计原子经济的合成路线，等等。本文限于篇幅，以下仅对如何选择绿色催化剂作一介绍。
在化学工业中，催化剂扮演着不可缺少的重要角色。比如我们日常生活中穿的、用的，大多都是由合成材料制作的，而这些合成材料都是石油、煤或天然气借助催化剂的作用经过种种反应制得的。人们利用各种各样的催化剂，把石油和天然气变成了五光十色的塑料、衣料等等。催化剂的特殊功能主要表现在两个方面：一是加快反应速度，降低能耗；二是提高反应的选择性，控制化学反应方向，控制产物的立体结构。
根据绿色化学原理，我们除了要设计出新型高效的催化剂以外，还要关注催化剂本身可能带来的环境问题。由于催化剂本身也是各种化学物质，因此它们的使用就有可能对人体及环境构成危害。历史上由于催化剂的毒性引起的污染曾给人类带来沉重的教训，典型的实例就是发生在日本因汞催化剂污染引发的水俣病。20世纪中叶，世界主要的化学原料是煤，当时大量采用由煤经电石法制备的乙炔为原料，在硫酸汞催化剂作用下制取乙醛。废硫酸汞催化剂掺在污水中排放到大海里转化为甲基汞，这种物质溶于海水中，经过鱼食后被浓缩，人又不断食用这种鱼，就在体内积累了汞，最终导致脑细胞遭破坏，造成震惊世界的水俣病事件。20世纪60～70年代，世界各地多处出现水俣病，造成许多人死亡。
随着环境问题的日益突出，催化过程所引起的腐蚀、污染问题引起了人类越来越多的关注。特别是像无机酸、碱、金属卤化物、金属羰基化合物、有机金属络合物等催化剂，本身就具有强烈的毒性、腐蚀性，甚至有致癌作用，它们的使用会引起严重设备腐蚀问题，且对操作人员的安全构成危害。因此开发无毒无害的催化剂就显得尤为重要。
在新型的“绿色”催化剂中，人们比较关注的是固体酸催化剂和酶催化剂。
由于液体酸催化剂具有强烈的腐蚀性，再加之其在各种催化剂中的使用量占3/4之多，因此开发无毒无害的固体酸催化剂来替代液体酸催化剂就显得更为重要。和液体酸相比，固体酸催化不存在原料、产物和催化剂分离以及设备腐蚀等问题。目前已有一批固体酸用于酸催化，如混合氧化物、杂多酸、超强酸、沸石分子筛、金属磷酸盐/硫酸盐、离子交换树脂等。
我国科研人员在研究杂多酸作为反应的催化剂方面也取得了可喜的成果，如用杂多酸作为催化剂，催化异丁烷与1-丁烯进行烷基化反应，在控制一定温度、保持一定的烷烯比条件下，C8的选择性可达100%。该项成果于1996年申请了国家专利。
固体酸催化剂的问世，是酸催化研究的一大转折，这不仅可进行多相反应，解决均相反应带来的问题，而且由于可在高达400～500摄氏度的温度范围内使用，大大扩大了热力学上可能进行的酸催化反应的应用范围。但目前仍有许多反应依然使用传统的酸工艺，一方面液体强酸对许多反应具有高的活性，另一方面针对某一反应采用固体酸催化剂不论在其活性还是在工艺上仍有许多问题有待深入。但固体酸催化剂及其新的催化工艺的研究仍是21世纪绿色化学中广泛关注的问题之一，其前景十分乐观。
酶是由细胞产生的具有催化能力的蛋白质，它是生物体内进行自我复制、新陈代谢所不可缺少的生物催化剂，它在生物体内发挥的作用可以说是淋漓尽致。生物体内的消化过程就相当于一系列的化学反应过程，而这种过程都是在不同性能的酶的作用下进行的。比如在淀粉酶的催化下，淀粉可以水解成糊精和麦芽糖；在脂肪酶的作用下，油脂可以转化为脂肪酸和甘油。酶在一秒钟内，能够联结或拆散数以千计的生物分子，又可以迅速地把分解的各种各样的微粒，合成为所需要的各种物质，而且其在作为催化剂时表现出诸多优异性能。与普通催化剂相比，酶是高效而又无害的绿色催化剂，它的优异性能表现在：（1）高效性：普通催化剂一般能使反应速度加快104～105倍，而酶可以加快109～1010倍；（2）专一性：只能催化某种类型的反应，或者只对某种物质发生作用；（3）反应条件温和：所有酶催化的反应都是在常温常压下进行的，而普通催化剂多数情况下要求高温、高压、强酸、强碱等条件；（4）多样性：酶的种类极其繁多，远远超过传统的化学催化剂的种类。
大量酶催化剂的使用，还可以提高资源的利用率，减少“三废”的排放，有利于生态环境。在石油化工业，利用微生物细胞内复合酶的作用，可将乙烯、丙烯和丙腈等合成为环氧乙烷、环氧丙烷和丙烯酰胺及其他所需产品；在食品工业，应用的酶多达几十种，诸如淀粉酶、蛋白酶、葡萄糖氧化酶、果胶酶等，广泛用于制造酱油、饴糖、啤酒等产品，既简化设备、流程，又节约大量粮食；在皮革工业，利用角蛋白酶使兽皮脱毛、裘皮软化、丝绸脱胶，降低了能耗，缩短了工时，提高了产品的质量，减少了污染；在农业上，用淀粉酶和纤维酶处理饲料，制成青贮饲料和糖化饲料，提高了饲料的营养价值。值得一提的是化学模拟生物固氮已有很大进展，人们从固氮微生物体内将固氮酶分离出来，对固氮酶的结构及固氮功能间的相互关系积累了大量基础知识，为化学方法模拟生物固氮酶在温和条件下固定氮的方法奠定了基础。此外，酶还被广泛应用于生物工程、纺织和医疗等行业。
酶催化剂的研制和开发还在不断地深入。据悉，美国南伊利诺大学卡本代尔分校的研究人员已开发出一种采用三种酶来转化二氧化碳排放气体成为甲醇的方法。该工艺技术对于要控制二氧化碳温室气体排放的能源密集型工业来说，是一种经济有效的方法。该工艺就是让二氧化碳通过一种浸入有两种细菌酶的水中的多孔硅胶，这两种酶菌是：纤维素脱氢酶和甲醛脱氢酶。纤维素脱氢酶把二氧化碳转化为甲酸，然后由甲醛脱氢酶使其进一步转化为甲醛，最后在人肝酶（醇类脱氢酶）的作用下，甲醛转化为甲醇。该工艺的一个缺点是存在潜在的可逆性，但有一种叫做NAD的物质可以阻止这种可逆性。目前研究人员正在开发一种可循环利用这种物质的工艺，以降低生产成本，使之能够大规模地工业化。
（作者单位：安徽师范大学）