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） 周德璋 國立中正大學化學暨生物化學系chetcc@ccu.edu.tw n  引言 化學是探究物質的性質及其變化規律的一門學問，旨在理解物質的形成與結構、物質與物質之間的相互作用、物質與能量之間的關聯、以及結構與反應活性之間的關係，並發掘切實可行的化學反應與合成方法，進而以此為基礎創建嶄新且具有功能性的物質，研製有應用價值的化學品和材料。傳統上，化學依其所探討的物質分類和研究的主題取向，從基礎到應用衍生出幾個主要學科，如物理化學、有機化學、無機化學、分析化學、核/放射化學、理論/計算化學、生物化學、及應用化學等。這些化學學科為一系列既定的或新興的科學，例如化學工程、藥物化學、分子生物學、合成生物學、天體化學、奈米科學等，奠立了基本方面的知識，更為例如農業、材料、生物技術、醫學、能源、環境、生態學及資訊技術等科學與技術領域裡的眾多重要進展作出了重大的貢獻。因此，化學被認為是一門「中心、實用、創造性」的科學，是科技的樞紐 [1]。 事實上，距今百萬年前當人類首度使用火煮熟食物時，人類就與〝化學〞發生密切關係，而較近的萬年以來，那些〝似知其然，不知其所以然〞的工藝發明，如釀酒、染色、玻璃、火藥、造紙、草藥、及煉丹等，顯現〝化學〞處處影響人類從遊牧轉入農耕社會的生活型態的痕跡。人類文明在18世紀歷經另波的質變進化，「第一次工業革命」於60年代在英國展開，人類逐漸轉向以工廠的機械力取代個體工場的手工生產民生用品。大約同時期，一場「科學革命」也醞釀著，法國化學家拉瓦錫（Antoine-Laurent de Lavoisier）於1770年代發現「燃素（氧氣）」開啟了〝近代化學〞的時代。往後的一個世紀裡，雖然科學與產業未見快速蓬勃展開的景象，但對19世紀的科學產生了極為關鍵性的影響。 19世紀中葉，科學的基本探究與技術的研發開始結合，使得工業生產力的組織、規模、及效率，開始加速擴大，科學本身也隨之快速蓬勃發展，尤其是與生計息息相關的化學。人類的文明邁進空前輝煌和變化最為巨大的20世紀。在這時代，推動世界經濟的主要能源基礎由煤轉化為石油和天然氣，科技產業的發達促使人類的財富、生活物資的質量、醫療保健、平均壽命、以及福祉的大幅提升，生命密碼的解開啟發革命性的生物科技，太空探測的活動實現月球登陸更超越太陽系，日新月異的通訊和運輸技術加速國際貿易和文化交流的全球化。在人類20世紀高度文明的塑造過程中，見證了作為樞紐科學的化學所扮演的舉足輕重和重大貢獻的角色。 地球只有一個，意味著自然資源的有限。在物資文明急速發展的20世紀，現代化科技幫助人類大量開採自然資源，大規模生產人造物資與能源，以滿足人類食衣住行的消耗性需求，創造了高度繁榮的社會。但是〝物極必反〞，人類卻也要付出嚴厲慘重的代價：化學公害、空氣污染、水質惡化、資源耗盡、環境破壞、氣候變遷、及生態失衡。自然界已面臨無法〝自我修補〞的地步，也是做為樞紐科學的化學必要思考如何接受挑戰的時候了。 n  綠色化學的萌芽 在20世紀下半葉，化學科學的舞臺上出現幾個帶有環境保護意識的名稱，如潔淨化學（clean chemistry）、環境化學（environmental chemistry）、友善化學（benign chemistry）、綠色化學（green chemistry）、及永續化學（sustainable chemistry）等 [2]。雖然這些名稱的定義和內涵並不很明確，引起當代化學家的爭論，但其背景的環保觀念卻是有跡可尋，可以追溯到1962年美國海洋生物學家蕾秋·卡遜（Rachel Carson）出版的《寂靜的春天》（Silent Spring）一書 [3]。這本經典著作呼籲民眾和政府要普遍關注化學物質對環境的污染及生態系統的破壞，尤其是農藥滴滴涕（dichloro-diphenyl-trichloroethane, DDT），也喚醒並啟發了現代環保運動。美國國會認知問題的重要性，於1969年通過《國家環境政策法》，以「創建並維護人類與自然可以共存共榮的和諧條件」為目標，並於次年通過設立「環境保護署（Environmental Protection Agency, EPA）」。該環保署的第一個重大決定是禁止滴滴涕和其他化學殺蟲劑的使用，並透過設立環境保護相關之辦公室和法規，以便達成保護環境的目標。 不過，早期環保署與化工產業的主要重點工作仍滯留在污染的控管、整治和明顯毒物的清理上；直到80年代晚期，對解決問題的切入方向才有所轉折。歐洲和美國的政策監管部門、產業界、和科學技術界開始認知，保護環境的最佳戰略是〝未雨綢繆〞的污染防患而非〝管道末端〞的污染管制和整治。政府和工業界的領導人展開國際對話，由30多個工業化國家組成的「經濟合作暨發展組織（Organization for Economic Cooperation and Development, OECD）」為尋找預防性的方案解決環境問題，提出一系列著重於合作協力改變現有的化學製程和污染預防的建議。成立20年的美國環保署為加強、落實生態友善的環保戰略，於1990年制定《污染預防法》，撥款補助各州致力於廢棄物在源頭的減量，並首次採用〝綠色化學（green chemistry）〞一詞為標識，提供種子經費鼓勵政府、工業界和學術界之間建立有效的合作。國際主要的大型化學製藥公司為擺脫製造污染和標榜重視環保的形象，也紛紛投入各式各樣的計畫、設立實驗室、或與學術界合作執行有關減低污染的製程研發。 歐洲化學理事會（European Chemistry Congress, ECC）於1993年發表一份頗具影響力的白皮書—《為了一個潔淨世界的化學》，美國化學學會（American Chemical Society, ACS）環境化學組也以類似主題—〝友善的設計︰預防污染的替代合成設計〞—於次年主辦第一屆討論會。美國環保署進一步於1995年設立「總統綠色化學挑戰獎（Presidential Green Chemistry Challenge Award）」，每年獎勵在學術界和工業界對推展綠色化學做出重要貢獻的化學品設計和製程。以〝為地球和其子民的利益〞為使命，一個非營利性質的「綠色化學研究所」於1997年成立，並每年召開「綠色化學與工程會議」；後來該組織在2001年納入美國化學學會，聯手致力於相關的研究、教育以及研討會議的推動，以提升化學企業、化學從業人員以及公眾的〝綠色〞意識。 在保護環境意識不斷增強的數十年之間進場的化學家們，也於80年代開始投入把防止污染訂為最優先考量元素的前瞻性研究，其中最為普遍的主題是利用催化劑於化學合成。特羅斯特（Barry M. Trost）於1991年提出「原子經濟（atom economy）」作為衡量合成效率或廢棄物量的尺度，是另一個重要的〝綠色〞概念 [4, 5]。「綠色化學」一詞於1990年首次出現在探討愛爾蘭化學工業成長的學術論文的標題裡 [6]，而第一個設立「綠色化學」博士學位的學程於1997年出現在波士頓的麻州大學。80年代有關污染要〝防患於未然〞的認知於90年代在政府部門、產業界、和學術界加速擴展，醞釀著化學要「綠化」的思維與概念，啟發阿納斯塔斯（Paul Anastas）和華納（John […]

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來「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」。綠色化學的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不/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）及多組件單鍋（multi-component one-pot）等操作方法，以減少製程的步數，降低產生廢棄物的頻率，並保持綠化意識，以策化學安全。綠色化學的原則是人造化學品必須有其造福人類的功能性，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的化學物。 表一陳列〝4不╱1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，綠色化學是〝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〝4不╱1沒有〞的實踐關係 4不/1沒有 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 不生（廢棄之物） ˜ ˜ ▲   […]