国科大17绿色化学与化工期末复习要点

1.两个原因：1：植物腐化后产生的气体2：汽车尾气、化工厂烟气的排放。光化学烟雾：大气中的HC和NOx等为一次污染物，在太阳光中紫外线的照射下能发生化学反应，衍生出二次污染物。由一次污染物和二次污染物的混合物(气体个颗粒物)所形成的烟雾污染，称为光化学污染。NOx是这种烟雾的主要成分，主要是由高浓度的氧化剂存在而造成的。2.绿色化学的定义与目标：绿色化学就是用化学的技术和方法去减少或消灭那些对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂、产物、副产物等的使用和产生。目标是：化学过程不产生污染，即将污染消除于其产生之前。实现这一目标后就不需要治理污染，因其根本就不产生污染，是一种从源头上治理污染的方法，是一种治本的方法。如何从源头上防止污染，从根本上减少或消除污染，提高反应的原子经济性，实现废物的“零排放”，这是绿色化学追求的首要目标。绿色化学与化学污染有什么异同：最终目标相同，减少化学对人类生存环境的污染。异：传统的环境保护方法是治理污染，或曰污染的末端治理，也就是研究已有污染物对环境的污染情况，研究治理这些已经产生了的污染物的原理和方法，是一种治标的方法。绿色化学是利用化学来预防污染，不让污染产生，而不是处理已有的污染物。3.原子利用率是一种定量的度量，是衡量用不同路线合成同一特定产品时,对环境影响的快速评估方法。原子利用率=目标产物的量/按化学计量式所得的所有产物的量之和×100%=目标产物的量/各反应物的量之和×100%环境因子(E因子)：在一个化学反应过程中，所生成废物质量占目标产物质量的比值。用以衡量生产过程对环境的影响程度；废物概念：相对于每一种化工产品而言，目标产物以外的任何物质都是废物。环境商(EQ)：是化工产品生成过程中产生废弃物量的多少、物化性质及其在环境中的毒性行为等综合评价指标，用以衡量合成反应对环境造成影响的程度。也是环境效益的一个评价指标。EQ=E×Q，环境因子*根据废物在环境中的行为给出的废物对环境的不友好程度。4.原子经济性：是指反应物中的原子有多少进入了产物。不产生污染的必要性：反应物中的所有原子都进入了目标产物溴代烷烃中，反应的原子利用率达到了100%没有副产物生成，即节约了资源又消除了副产物污染。5.怎样设计安全的绿色化学品：1.新的安全有效化学品的设计2.对已有的有效但不安全的分子进行重新设计。6.简述绿色化学的十二条原则：1、防止污染优于污染治理：防止产生废弃物，从源头制止污染，而不是在末端治理污染2、提高原子经济性：合成方法应具“原子经济性”，即尽量使参加过程的原子都进入最终产物3.无害化学合成：在合成中尽量不使用和产生对人类健康和环境有毒有害的物质，减少有危险的合成反应。4.设计安全化学品：设计具有高使用效率、低环境毒性的化学产品5.采用安全的溶剂和助剂：尽量不使用溶剂等辅助物质，不得已使用时它们必须是无毒的。6.提高能源利用效率：生产过程应该在温和的温度和压力进行，使能耗最低，高效率地使用能量7.利用可再生资源合成化学品：尽量采用可再生的原料，特别是用生物质代替石油和煤等矿物原料8.减少衍生物：当进行多步合成反应时，常常有必要将敏感官能团保护起来防止其发生不希望的反应，或暂时把一种化合物转化成它的盐而易于分离.然而，这两种做法都要求有额外的步骤而增加反应物、时间和能量。如有可能应避免或最大程度减少不必要的衍生作用(使用屏蔽基因、保护／复原、物理／化学的暂时变更)，因为这些步骤需要附加的试剂并可能产生废物9.采用高选择性的催化剂：合成方法中尽可能选择高选择性的催化剂，优于使用化学计量试剂10.设计可降解化学品：化学产品使用完后应能降解成无害的物质并且能进入自然生态循环11.预防污染的现场实时分析：发展实时分析技术，以便监控有害物质的形成12.防止生产事故的安全工艺：选择合适的参加化学过程的物质及生产工艺,尽量减少发生意外事故的风险。7.绿色化学实现途径：1设计安全有效的目标分子：①新的安全有效化学品的设计②对已有的的有效但不安全的分子进行重新设计2寻找安全有效的反应原料①用无毒无害原料取代有毒有害原料②以可再生资源为原料3寻找安全有效的合成路线①反应原料应该价格便宜、易得②制备与操作过程简单、安全、环境友好③反应快速、目标产物的产率尽可能高4寻找新的转化方法，寻找非传统的转化方法，催化等离子体法、电化学法、光和其他辐射转化、太阳能的利用5寻找安全有效的反应条件①寻找安全有效的催化剂②寻找安全有效的反应介质。8.催化剂是一种能够改变一个化学反应的速率，却不改变化学反应热力学平衡，本身在化学反应中不被明显地消耗的化学物质。作用：加快反应速度，提高生产效率、提高选择性，控制反应方向或产物构成、缓和反应条件特征：循环过程、热力学可行、改变速度不改变平衡位置、具有选择性。分类：多相反应固体催化剂、均相反应催化剂、酶催化剂固体催化剂的构成：主催化剂、助催化剂、共催化剂、载体。催化已经在减少环境污染方面引起到了重要作用。利用催化剂减少和消除发电厂废气及汽车尾气中的NOx的排放，以改善空气的质量/利用催化剂以减少挥发性有机溶剂的使用/利用催化技术取代使用氯或有含氯中间物的合成方法和过程，并减少污染物的生成/改善反应条件，降低化学反应的能耗：减少CO2的排放/提高选择性：减少副产物和其他废物的排放。催化过程是符合绿色化学要求的化学过程，在新的、不产生污染的合成途径中将继续发挥重要的作用。缩短反应步骤，提高原子经济性，减少副产物和其他废物的排放/消除有毒有害的反应原料、试剂的使用/改善化学反应条件/淘汰有污染的反应过程。9.催化剂设计的原则和要素。一般原则:总目标：高活性、高选择性、尽可能廉价，能取得最大的经济效益和环境效益。要素：活性、选择性、稳定性或寿命、对人、对环境是否无害/可根据反应类型、反应分子的活化方式等选择催化剂的类型和可选用材料，找出最适宜催化剂/用实验证实设计的可行性，若实验证明设计不合理，则又从头开始重新进行设计。10.绿色化学中怎样改变反应试剂达到绿色生产的目的。①采用无毒无害的试剂代替有毒有害的试剂，如：碳酸二甲酯取代光气和硫酸甲酯作甲基化试剂②借助外场（光、声、磁、电等）诱导取代试剂的使用③用催化氧化取代化学试剂氧化反应④用催化加氢取代化学试剂还原反应⑤反应试剂的负载化。11.完全由一种正离子和一种负离子组成，在室温下呈液态的化合物，称之为室温离子液体，离子液体是室温离子液体的简称。优点：温度范围大(-40~300℃)；对无机物、有机物和高分子的溶解度高；有Bronsted酸性、Franklin酸性和超强酸性；蒸汽压很小；有的不怕水；热稳定性好；相对便宜。分类：①阴离子分类：第一类，负离子中含稀散元素和过渡金属元素(Al、Fe、Ga、In等)的离子液体；第二类，主要是以PF6-、BF4-、C2H5OSO3-、C2H5OCO3-、(C2H5O)3SiO-等为负离子的离子液体；第三类，主要是以CF3SO3-、(C2F5O)3SiO、(CF3SO2)2N-、C2F5OSO3-、C2F5OCO3-等为负离子的离子液体。②阳离子分类：季铵盐离子液体、季磷盐离子液体、咪唑盐离子液体、吡啶盐离子液体。超临界流体：是指处于超临界温度和超临界压力下的流体，是一种介于气态和液态之间的状态。其密度与液体接近，而黏度则与气体接近。这一流体具有可变性，其性质随温度和压强的变化而变化。12.设计安全无毒化学品的一般原则①具有所要求的使用功能，对人类和环境无害，即不能进入机体对机体的生物化学和生理过程不产生有害的影响②分子释放于环境后的行为或释放后结构的变化，即在空气、水、油中的分散性和在环境中可能引发的直接和间接的有害效应③2个关系：分子结构与功能的关系，分子的结构与生物效能的关系。13.设计安全有效化学品的外部原则：主要是指通过分子设计，改善分子在环境中的分布、人和其他生物机体对它的吸收性质等重要物理化学性质，从而减少它的有害生物效应。14.内部效应原则，目标及实现方法：内部”效应原则通常包括通过分子设计以达到以下目标：（1）增大生物解毒性，尽可能提高在生物体内的无毒代谢和转化（2）避免物质的直接毒性，尽可能降低本征毒性（3）避免间接生物致毒性或生物活化，尽可能避免生物代谢和转化的增毒效应。15.如何减少化学品在环境中的扩散和分布：与物质在环境中的分布相关的物理化学性质，尽可能减少在环境中的扩散和分布。挥发性小/密度大/熔点高，水溶性小/脂溶性大。残留性小/生物降解性大；氧化/水解/光解/微生物降解。有毒转化－转化为具有生物活性（毒性）物质的可能性，尽量避免。无毒转化－转化为无生物活性物质的可能性，越大越好。16.生物聚集：某些化学品在某些生物体内会聚集和积累，造成累计性中毒。生物放大：生物体内的有毒转化和食物链的延伸使化学品的毒性放大，10~10000倍。17.人体代谢陌生化学物质的过程中要发生的化学反应，分别叫做一相反应和二相反应。一相反应：在一相反应中，陌生化学物质通过氧化还原反应和水解等过程转化为极性更大的代谢物，从而更容易溶解于水，因而更容易排泄。二相反应：在二相化学反应中，內源代谢物，如葡萄糖酸盐，硫酸盐，乙酸盐，或氨基酸与有毒陌生化学物质结合生成水溶性更大的物质，从而有利于排泄。18.如何通过分子修饰减少对化学品的吸收：A：减少肠胃吸收增大颗粒度或保持非离子化形式/增大油溶性，降低水溶性/设计成分子量500，熔点150℃的物质或处于固态/调变取代基，使分子在pH2时强离子化/使用含硫酸根的分子。B.减少肺吸收降低挥发性，高沸点，低蒸气压/低水溶性，高油溶性，高熔点，大颗粒度C.减少皮肤吸收尽可能使用固体物质/增大极性或水溶性，降低油溶性/增大颗粒度或分子量。19.什么是构效关系，如何利用构效关系来设计化学品化合物的毒性以及该类化合物中不同结构引起的毒性差异称为构效关系。作用：根据分子结构预测和化物的药效或毒性/利用构效关系设计新的化合物，增加药效，降低毒性。如何利用：（1）利用定性构效关系设计更加安全的化学品（2）利用定量构效关系设计更加安全的化学品（3）用基团贡献法构筑构效关系（4）用等电排置换设计更加安全的化学品（5）“软”化学设计（6）用有相同功效而无毒的物质替代有毒有害的物质（7）消除有毒辅助物质的使用。20.举例说明化学中硅取代碳的例子：Si取代物与其对应碳化合物的灭蝇效果完全相同，但生物可降解性显著增降，环境危害性显著减小。21.微生物降解有机物的过程、特点过程：根据微生物的呼吸特征，微生物分为好氧微生物和厌氧微生物。好氧微生物：在有氧气的环境中分解各种有机物，通过分解代谢最终氧化成简单的无机物－CO2、水、氨、硫酸盐和磷酸盐等。厌氧微生物：在缺氧的条件下分解各种有机物，将其转化为甲烷和CO2等－沼气的产生原理，可以副产沼气。22.描述说明易生物降解与不易生物降解的化学结构的特点（1）不易生物降解的化学结构，具有下述结构特征的分子,对需氧生物降解具有抗拒作用。卤代物，尤其是氯化物和氟化物/支链结构，尤其是季碳和季氮或是极度分枝的物质/硝基、亚硝基、偶氮基、芳氨基/多环残基/杂环残基/脂肪族醚键（C－O－C）/高取代的化合物比低取代的化合物更不易降解不易生物降解的原理：上述结构会影响（抑制）降解酶对物质的引发作用或影响它们作为底物的能力，同时阻碍这些物质在细胞内的传输。（2）可生物降解的化学结构具有水解酶潜在作用位的物质/羟基、羧基、醛基/未取代的直链烷基（尤其是C4）和苯环/水中溶解度大的物质/低取代的物质原因：容易受氧化酶的进攻，有机化合物，尤其是烃类的生物降解的第一步通常也是速率控制步骤是在氧化酶作用下向分子结构中引入氧。23.什么是特征性中毒、非特征性中毒，原因非特征性中毒：有毒化学品对大部分水生生物通过麻醉作用中毒。特征性中毒：有些化学品本身或其代谢产物可以与细胞大分子发生某种特定的化学反应，这些物质除产生麻醉作用外还会有额外的毒性，称为特征型。原因：特征毒性有机化合物为亲电性物质，亲电性物质与细胞内大分子中的亲核部位形成共价键