開創新局的永續化學:綠色化學:以友善環境為出發點的化學 / 周德璋(下)

星期日 , 12, 三月 2017 Leave a comment

開創新局的永續化學:
綠色化學:以友善環境為出發點的化學(下)

周德璋

國立中正大學化學暨生物化學系
chetcc@ccu.edu.tw

〔承《開創新局的永續化學:綠色化學:以友善環境為出發點的化學(上)》〕

n  綠色化學的內涵

根據阿納斯塔斯和華納二人提出的定義和12項原則 [7-9],綠色化學是以傳統的化學原理為基礎設計化學產品及其製程,目的在減少或避免生產和使用任何對人類健康和環境具有危害的物質綠色化學12項原則如下:

1.        防止廢棄物:防止廢棄物的產生勝過於廢棄物形成後的處理或清理。

2.        原子經濟最大化:合成方法的設計應該把過程中使用的材料最大限度地納入到最終產品。

3.        設計危害性較小的化學合成:當切實可行的情況下,應該使用及產生對人體健康和環境很少或沒有毒性的物質來設計合成方法。

4.        設計更安全的化學品及產品:設計能保有其功能效力,又同時減少其毒性的化學產品。

5.        使用更安全的溶劑及反應條件:應儘量不須使用輔助的物質(例如:溶劑、分離劑或其它);如果需要,應使用無毒無害的物質。

6.        提高能源效率:應認識到能源需求對環境和經濟的影響並應儘量減少能源的使用合成方法應在環境溫度和壓力下進行。

7.        使用可再生原料:當技術和經濟切實可行的情況下,使用可以再生的而不是消耗性的原料。

8.        避免衍生化學物:盡可能避免不必要的衍生化(阻檔基、保護/去保護基、暫時性的修改)。

9.        使用催化劑:催化劑(盡可能有選擇性)優於化學計量試劑。

10.    設計使用後可降解的化學品和產品:應該設計功能結束後不會在環境中持續存留,且可分解為無害物質的化學產品。

11.    即時分析防止污染:分析方法需要進一步發展,以利在形成的有害物質之前能夠即時監控。

12.    慎選化學物質來減少意外事故的發生:過程中所使用的物質及其形態,應選擇能夠儘量減少包括外洩、爆炸、和火災等潛在化學事故者。

簡單地說化學的綠化要實踐4/1沒有,即「不生(廢棄之物)不滅(天然資源)不增(製程步數)不減(安全係數)沒有(後顧之憂)」。預防勝於事後處理,這是長久以來被公認的道理。綠色化學謀求的首要目標就是要減少或避免在源頭處和製程中產生廢棄物和污染。除期望產物外,廢棄物指任何在製造過程中所涉及的物質,如溶劑、酸/鹼輔助試劑、催化劑、分離試劑、副產物以及未轉變的原料等。廢棄物是麻煩製造者,若直接排放、焚化或掩埋會污染河川、空氣和土壤,破壞環境;若棄之可惜,回收再利用則是〝燒錢〞事,雖可減少廢棄物,但增加成本。綠色化學認知到我們在地球上所能夠使用的資源就是物質和能量。化學原料與能量來自於兩類天然資源,一類為不可再生的,例如:煤、石油和天然氣,另一類源自具有活力的生物是為生生不息的,例如:脂肪、糖和澱粉。人造化學物質一去不復返,為免耗盡原料與能量而後悔莫及,綠色化學致力於可再生原料與能量的開發,以求永續不滅。此外,製程步數越多操作和輸入物質的量與種類越多,產生廢棄物和污染的可能性也隨之而增。理想的製程是簡而短,步數越少越佳。因此,綠色化學提倡製程應該儘量避免不必要的化學物衍生化,採用單鍋(one-pot串聯(cascade多組件multi-component one-pot)等操作方法,以減少製程步數,降低產生廢棄物的頻率,並保持綠化意識,以策化學安全。綠色化學原則是人造化學品必須有其造福人類功能性,並且對人體健康和環境不具危害性。因此,設計化學產品、所需原料、合成方法、製程與裝置時,應秉持此安全至上的原則執行化學品製造,落實〝從搖籃到墳墓〞都不會使用或產生對人類健康和環境具有危害化學物

表一陳列〝41沒有〞的實踐與綠色化學的12項原則之間的關係,顯示化學綠化能實現沒有後顧之憂〞之大利,減少或免除人類身心健康和環境受到化學物的危害、以及生產化學物品和清理廢棄物的成本;亦即,綠色化學健康友善〞、也是〝環境友善〞、更是〝經濟友善的化學。相異於「環境化學」偏重在瞭解化學品污染的發生對自然界的影響與提出對策,綠色化學則聚焦於探索如何在源頭處防止廢棄物的污染和減少不可再生資源消耗的技術與方法上。因此,綠色化學是治本而非治標的執行策略方針,它與化學各分支學科重疊,尤其是著重於工業應用的化學合成、製程化學和化學工程。但其終極目標即,設計分子、材料、產品和製程要能落實資源使用效率和安全性的最佳化可以作為多樣科技領域所追求的目標。綠色化學合理利用資源和能源並兼顧環保與經濟的實踐也可以擴展到環境、經濟與社會層面,加入全球永續發展(global sustainability的挑戰行列。綠色化學是有能力發揮不可或缺的作用與貢獻。

表一:綠色化學的12項原則與〝41沒有實踐關係

4/1沒有

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不生(廢棄之物)

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不滅(天然資源)

 

 

 

 

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不增(製程步數)

 

 

 

 

 

 

 

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不減(安全係數)

 

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沒有(後顧之憂)

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˜有直接較顯著的關係與效果。有可能發生間接關連的效果。

n  綠色化學的實踐

從《綠色化學︰理論與實踐》出版年算起至今綠色化學已有20年的發展史,約為「近代化學」發展史的10分之1。在這年代,反映生態意識隨著消費市場以及某些材料和化學品惡名昭彰的危害,化學工業已經出現了追求綠色化學的趨勢,努力改變其製造產品中使用化學物的方式。這些做法如︰在產品的生產中降低甲醛的使用、避用消除破壞臭氧層的氯氟烴(CFCs、利用催化劑設計簡而潔〞的化學反應與合成(例如金屬催化的烯烴複分解反應olefin metathesis、透過可以降低衝擊的綠色化學物質(例如從可持續的植物材料轉化的低碳物質)發展製造產品的技術等。

現以醌的工業製法為例,來說明綠色化學的概念。Hydroquinone, HQ)又名對苯二酚,已使用超過100具還原性,經溫和氧化得到褐色的對苯醌p-BQ),可作為黑白底片包括x光底片的顯影劑和合成抗氧化劑及聚合抑制劑的中間體。氫醌也以葡萄糖醚的形式(即對苯二酚葡萄糖苷,俗稱熊果苷,arbutin)存在於許多天然植物和水果,小麥和咖啡產品。全球工業產量每年約45,000,000公斤,圖一列舉工業上利用不可再生的石化產物苯(2)為原料生產醌的主要3條途徑。路徑1是較早期的製程經過硝化/還原的2步驟得到苯胺(4再以當量的二氧化錳氧化轉化成苯醌5,用鐵還原苯醌得到HQ1。這個較為傳統的製程(約佔10%明顯會產生大量須待處置的廢棄物(如硫酸、氧化鐵、硫酸銨及硫酸錳),不符合綠色化學的原則。第23路徑是當今最為廣泛、較為〝綠化〞的工業製程,分別以苯酚(9)和1,4-二異丙苯(12為最終關鍵步驟的原料。首先藉由酸性催化劑(如磷酸或酸性分子篩)的催化苯進行二異丙基化形成異丙苯(7)或二異丙苯(12,以〝空氣〞氧化(即,Hock氧化)得到對應的過氧化物711,然後直接進行酸促化的重排反應分別產生苯酚(9)和HQ1。苯酚利用雙氧水(須添加催化劑活化)氧化可得到醌(路徑2)。路徑23顯示至少4件值得注意的優點:(a)不產生鹽類廢棄物;(b)符合綠色化學的「原子經濟」原則,不浪費原料原子(c)〝一箭雙雕〞地同時產生丙酮(10)一個工業上重要的化學原料和溶劑;(d)使用到催化劑,減低試劑用量並且可預留改善空間,提升程的〝綠化〝程度。不過,以上三條途徑都有以苯為原料的共同缺點,而苯源自消耗性的天然資源,又是個確認的致癌物。因此,尋找更〝綠化程的研究在學術界持續著,如圖二所示,首先葡萄糖以大腸埃希氏大腸桿菌在發酵槽控制條件下,轉變成奎尼酸(又稱金雞納酸,然後以氧化脫羧的化學方法將奎尼酸轉化成氫醌HQ

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圖一:三條以苯為起始物生產對苯二酚(HQ)的工業製造路徑

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圖二:非以苯為原料生產對苯二酚(HQ)的合成

n  結語

目前世界對「永續發展(Sustainable Development)」的公認概念,是聯合國於1987年根據「世界環境與發展委員會」的報告《我們共同的未來》所確認的定義:一種前瞻發展模式,既能滿足當代人的需求,又不犧牲後代子孫為滿足其需求所應有的能力。永續發展是全面性的它不等同於環境保護,是由環境社會和經濟三個主要面向的永續為構成要素。在此範疇內,我們必須瞭解全球永續發展的長期目標必須確保這要素能以協同方式一起有效經營,也必須認識到經濟是發展於社會裡而社會是建立於環境上。化學尤其是綠色化學的進展是有能力發揮關鍵的作用與貢獻實現永續發展的目標。

n  參考文獻及延伸閱讀

1.        Breslow, R. (1997). Chemistry Today and Tomorrow: The Central, Useful and Creative Science, Washington, DC: America Chemical Society.

2.        Linthorst, J. A. (2009). An overview: Origins and development of green chemistry. Foundations of Chemistry. 12, 55.

3.        Carson, R. (1962). Silent Spring. New York. Houghton Mifflin Co.

4.        Trost, B. M. (1991). The atom economy: A search for synthetic efficiency. Science, 254, 1471.

5.        Li, C.-J.; Trost, B. M. (2008). Green chemistry for chemical synthesis. PNAS, 105, 13197.

6.        Cathcart, C. (1990). Green chemistry in the Emerald Isle. Chem. Ind. 5, 684.

7.        Anastas, P. T.; Warner, J. C. (1998). Green chemistry: theory and practice. Oxford [England]; New York: Oxford University Press.

8.        Anastas, P.T.; Kirchhoff, M.M. (2002). Origins, Current Status, and Future Challenges of Green Chemistry. Acc. Chem. Res., 35. 686.

9.        Anastas, P.T.; Eghbali, N. (2010). Green Chemistry: Principles and Practice. Chem. Soc. Rev., 39, 301.

10.    梁碧峯編著(2011)。綠色化學:基礎與應用。臺灣臺中:滄海書局。

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