绿色化学课后题答案

第一章 作业答案

一：简 答：温室效应及其与化学的相关性，核冬天，光化学烟雾及其化学本质，生物多样性。

答：1. 温室效应：温室效应是由于大气中的温室气体浓度升高而引起的。温室气体主要有二氧化碳、氮氧化物、卤代烃类等。

2. 核冬天：有限的核战争所产生的烟尘会导致地球冷却的假设被称为“核冬天”。

3. 臭氧层破坏：一是人类大量使用空调制冷剂、泡沫灭火器、气雾剂、发胶、膨松剂等化学性质稳定的氟氯烃、溴氟氯烃等化合物，这类化合物虽然在地表面是性质稳定，不易燃烧，易于储存，对人和其他生物也没有毒性，但当它们上升到平流层中后，在强烈的紫外线作用下，会由光激发而生成氯原子自由基等化学性质十分活泼的物质，这些物质会引起臭氧的分解，从而使臭氧层遭到破坏；二是汽车尾气、火力发电厂的烟气等中所含有的NOx类化合物进入平流层后，会加速臭氧的分解反应，从而破坏臭氧层。

4. 光化学烟雾：人类向大气圈排放的碳氢化合物、碳氧化合物、硫氧化合物、氮氧化合物、粉尘等，在太阳光的紫外线照射之下会发生一系列的化学反应。光化学烟雾主要是氮氧化合物与烃类化合物在紫外线照射下，经过一系列复杂反应形成的一种大气污染现象。光化学烟雾中通常含有高浓度的氧化剂，故又称为氧化性光化学烟雾。氮氧化合物是引发光化学烟雾的主要元凶：

NO

2· CxHyO·+O23·

CxHyO3·COR O+O23

5. 酸雨：酸雨是空气中的酸性气体（SOx、NOx）随雨而下形成的。

6. 生物多样性：生物多样性是指地球上所有生物——植物、动物和微生物及其他物质构成的综合体。它包括遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性三个组成部分。生物多样性是人类社会赖以生存和发展的基础。

二：为什么说化学是一门中心的、实用的、创造性的学科？

答：化学作为一门“中心、实用、创造性的“的科学，从其诞生至今，已经取得了巨大的成就。化学的原理和方法以及化学反应方面的研究目前仍在主导其他学科；它在开发天然资源以满足人类的生活需要方面做出了巨大的贡献。基于化学的产业，利用天然资源制取大量的化肥、农药、农膜、塑料、钢铁、水泥等产品和材料，并生产大量的合成纤维和橡胶等以弥补农业、林业的不足；能源的开发利用，新材料的开发利用，医药卫生等均离不开化学可以说，人类的衣、食、住、行、用以及保持健康等无一项可以离开化学，化学在这些领域中直接或间接地发挥着不可替代的作用。而随着科技的发展，我们又将面临新的挑战，化学学科也积极调整，不断创新，以适应新的需求。

12

四；在人类面临的健康问题面前，化学有何作为？

答： 尽管目前医学、医药业已经取得了很大的进步，但人类人面临各种不治之症的威胁。例如癌症、艾滋病、埃博拉等，目前仍无有效药物可以治疗，迫切需要有新的可治疗这些疾病的药物。

面对衰老，人类仍然是束手无策，迫切需要发明延缓衰老、使人长生的新药。

现在治疗某些疾病的药物，虽然有一定的疗效，大不少药物均有一定的副作用，迫切需要对其加以改进，或研究开发新的药物，以提高疗效减少副作用。

人体对药物有抗性，一些在一定使其对某些疾病有疗效的药物，使用一段时间后就会在人体产生抗性，不再具有疗效，一次也需要研究新的药物来替代这些因人体抗性而失效的药物。

五：可持续发展观的主要观点是什么，它与传统的发展观有何差异？

答：可持续发展观强调经济与环境的协调发展，追求人与自然的和谐。其核心思想是：健康的经济发展应建立在生态持续能力、社会公正和人民积极参与自身发展决策的基础之上，它所追求的目标是：既要是人类的各种需要得到满足，个人得到充分地发展，又要保护生态环境，不对后代的生存和发展构成威胁。对环境不利的经济活动应予以摒弃。在发展指标上，不单纯用GNP作为衡量发展的唯一指标。可持续发展的思想包含如下几个层次的含义：

第一， 可持续发展的思想强调的是发展，把消除贫困当作是可持续发展的一项不可缺

少的条件。

第二， 可持续发展思想把环境保护作为发展过程的一个重要组成部分，作为衡量发展

质量、发展水平和发展程度的客观标准之一。

第三， 可持续发展思想强调代际之间的机会均等，之处，当代人享有的正当的环境权

利，即在发展中合理利用资源和具有清洁、安全、舒适环境的权利，后代人

也应该同样享有。

第四， 可持续发展战略呼吁人们改变触痛的生产方式和消费方式，要求人们在生产时

要尽量少投入，多产出，在消费时要经量多使用、少排放。

第五， 可持续发展思想要求人们必须彻底改变传统的对待自然界的态度，建立起新的

道德和价值标准。

六：你怎样看待化学学科在本世纪的地位？

答：我们可以把20世纪称作物理的世纪，而21世纪的基本问题是分子和生物分子，因此，21世纪将很可能是化学的世纪，但化学工业必须成功地采取新工艺去生产新的化学制品，从而与由旧的工艺生产又以旧的工艺使用化学品产生的污染，废弃物以及公害等彻底决裂，才能实现化学的新世纪。追求化学的完美，不仅考虑目标分子的性质或某一反应试剂的效率，而且考虑这些物质对人类对环境的影响，以期减少对人类健康和环境的危害，充分利用资源，求得可持续发展。

七: 你认为我国应怎样面对能源短缺?

答题要点：合理开发利用现有的自然资源，促进企业的节能减排及效率的提升。在全社会倡导节约，促进人与社会的可持续发展；开发新能源及可再生资源，如风能、太阳能、地热能、水能、生物质能等。

八: 试论科学发展观与化学

第二章作业题

1：简答。

绿色化学的目标、化学工业造成的危害、风险试剂、生物质的种类、可再生资源、原子利用率、环境商、环境因子

答：绿色化学的目标是：化学过程中不产生污染，即将污染消除与其产生之前。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。

化学工业造成的危害：由于受传统发展观的影响，化学工业向环境排放了大量的污染物，一些化学品不佳节制地被滥用，给整个生态环境造成了非常严重的影响。当代全球十大环境问题中至少有7项与化学工业和化工产品的化学物质有关，在所有释放有毒有害物质的工业中，与化学工业相关的产业处于第一位，该行业排放的有的有害物质是处于第二位的冶金工业的4倍。许多物质排放到环境后会在环境中残留和积累，对环境造成破坏，另外，化工生产中的偶然事件也会对人类和环境造成突发性的影响。

风险试剂：绿色化学中所指的风险实际指的是氢氰酸

生物质的种类：生物质主要有来年各类，即淀粉和木质纤维素。玉米、小麦、土豆等是淀粉类的代表，农业废料（如玉米杆、麦苗杆等），森林废物和草类等是木质纤维素的典型代表。

可再生资源：指那些通过天然作用或人工活动能再生更新，而为人类反复利用的自然资源叫可再生资源，又称为更新自然资源，如土壤、植物、动物、微生物和各种自然生物群落、森林、草原、水生生物等。

原子利用率：原子利用率微目标产物的量（一般为质量）与按化学计量式多的所有产物的量的和之比，用原子利用率可以衡量在一个化学反应中，生产一定来那个的目标产物到底会生成多少的废物。

环境商（EQ）：环境商EQ定义为EQ=E*Q，式中E为环境因子，Q为根据废物在环境中

的行为给出的废物对环境的不友好程度，用于评价一种合成方法、一个过程对环境的好坏。

环境因子：环境因子（E因子）定义为E=废物质量/目标产物质量。在这里，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。

2：为什么要大力发展绿色化学？

答：a,大力发展绿色化学是人类社会可持续发展的必然要求，一个世纪依赖，为满足人类社会和工业生产的需要，化学取得了十分辉煌的进步，创造了巨大的功绩，但是由于受陈旧的思想禁锢，化学工业给整个自然界带来了巨大的灾难，使地球的生物多样性和生态环境遭受巨大破坏，但是，我们都知道，离开了化学工业，人们的物质生活水平将手机大的限制，我们也不能再像以前一样只是靠转移生产地而解决我们所面临的殊多问题。我们既要为开创更加美好的生活而发展化学和化学工业，又不能让化学品生产过程和化学品破坏我们的环境。这就要求我们大力发展既能支撑经济发展，又能满足环境需要，以保证可持续发展的新的化学——绿色化学。

B, 发展绿色化学是科学技术和经济发展的需要。目前，各化学工业公司一方面受到生产化学品成本的压力，另一方面也受到国家法律法规，公众的关于减少环境污染或污染物处理的强大社会压力。它们一方面要想方设法降低成本、提高效率，另一方面又要因为治理污染物而增大成本，因此，要发展化学工业从而发展经济，就必须寻求新的原理和方法。发展新的技术，以降低化学品生产的显性和隐性成本。另外，对于一些行业，要治理其产生的污染物所需的费用可能比它的本身产生的效益还要大，如果没有新的技术，这些行业就只能破产关门，因此，必须大力发展绿色化学。

3：绿色化学及其与环境污染治理的异同。

答：同：总的来说绿色化学和环境污染治理的目标是相同的；

异:不可否认，最近几十年来，化学，化工，环境保护在如何减少许多化学品在生产和使用过程中的危险性反面做了很多有益的工作，发展了许多有创造性的处理化学废物的方法，发展了许多减轻化学废物堆放场所危险性的方法以及弥补化学造成危害的方法，发展了许多分析检测空气污染、水污染和土壤污染的方法和处理污染的技术。发展了许多控制污染物暴露的方法和技术。这些对改善人类生存环境，提高人类社会生活质量无疑是十分有益的和必要的。但它只是一种治标的方法，不能称为绿色化学，绿色化学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。

4：什么是绿色化学品？怎样设计安全的化学品。

答：绿色化学品的定义是：在生产使用过程中不会对人造成直接或间接伤害且不会对环境造成直接或间接污染的化学品；设计安全有效化学品包括如下两个方面的内容：

（1） 新的安全有效化学品的设计。人类社会和科学技术的发展需要具有某种功能的

新型分子，这就需要我们根据分子结构与功能的关系，进行分子设计，设计

出新的安全有效的目标分子。

（2） 对已有的有效但不安全的分子进行重新设计，是这类分子保留其原有的功能，

消除掉其不安全的性质，得到改进过的安全有效的分子。

5：举例说明原子经济反应是不产生污染的必要条件。

答：原子经济性(Atom Economy)是指反应物中的原子有多少进入了产物，一个理想的原子经济性反应，就是反应物中的所有原子都进入了目标产物的反应，也就是原子利用率为100%的反应。如：

i.

ii.

iii. 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 6：试论计算机辅助绿色化学合成路线设计的必要性和方法。 答：在设计新的安全有效的合成路线时，既要考虑到产品的性能优良、价格低廉、又要使产生的废物和副产品最少，对环境无害，当然其难度可想而知。对一个结构较为复杂的分子进行逆合成分析时，第一步时可以找出N种合成方法，那么进行第25二步搜索时就可找出N种方法，如此类推，到第五步时将有N种合成路线，如果一条一条地进行实验，要花许多的时间和经费，如果让人对这些合成路线进行取舍，也是不可能的。只有借助与计算机，赋予它某种“智能”，让其按我们指定的方法自动地比较所有可能的合成路线，随时排除不适合的路线以便找出最终的经济、不浪费资源、不污染环境的最佳合成路线。 方法： （1） 建立一个尽可能全的化学反应的资料库，对计算机进行训练，告诉并教会计算机，哪些物质在一起在什么样的条件下会发生什么样的化学反应； （2） 提出要求，即确定目标产物及可能采用的原料； （3） 让计算机找出能生产目标产物的反应及所需原料； （4） 以上一步的原料为目标产物再做搜寻，找出该目标产物的合成反应及原料。 直到得出我们预定的原料； （5） 比较各条可能的反应路线的经济技术性及环境效应，从中选出最佳途径。 7：怎样在反应过程中使化学反应绿色化。 答：要在反应过程中使化学反应绿色化就要寻找新的转化方法： 一是催化等离子体方法、二是电化学方法、三是光化学及其他辐射方法 8：自选一条目前使用的有机化学合成路线，用绿色化学原理对其进行评价并设计一条更佳的新路线。 答：略。 9：简述绿色化学12原则。 （1） 不让废物产生而不是让其产生后再处理； （2） 最有效地设计化学反应和过程，最大限度地提高原子经济性 重排反应 加成反应 取代反应

（3） 尽可能不使用、不产生对人类健康和环境有毒有害的物质

（4） 尽可能有效地设计功效卓著而又无毒无害的化学品

i. 设计更加安全的化学品是可能的

ii. 设计更加安全的化学品的方法

（5） 尽可能不适用用辅助物质，如须使用也应是无毒无害的

（一） 辅助物质面临的困境

1、 辅助物质面临的普遍使用

2、 溶剂问题

3、 溶剂对环境的影响

（二） 消除辅助物质危害的方法

1、 采用超临界流体

2、 非溶剂化

3、 水作溶剂

4、 固定化

（6） 在考虑环境和经济效益的同时，尽可能使低能耗最低

（一） 化学工业中能量的普遍使用

1、 预反应过程使用能量

2、 用热能加速化学反应

3、 用冷却方法控制反应

4、 分离需要的能量

（二） 新的能量利用方式

1、 微波

2、 声纳

3、 光化学反应和辐射促进化学反应

（三） 优化反应条件，使能耗最小

（7） 技术和经济上可行时应以再生资源为原料

（8） 应尽可能避免衍生反应

（一） 合成化学受到的挑战及目前的对策

（二） 保护基团

（三） 成盐

（四） 加上一个离去功能团

（9） 尽可能使用性能优异的催化剂

（10） 应设计功能终结后可降解为无害物质的化学品

（11） 应发展实时分析方法，以监控和避免有毒有害物质的生成

（12） 尽可能选用安全的化学物质，最大程度地减少化学事故发生

10：试论分析化学在绿色化学发展中的作为。

答：这一问题受到如下原理的制约：“我们不能控制我们不能检测到的物质”。要完成这一使命，就需要精确可信的敏感元器件，监测器件和分析技术。同时，要满足绿色化学的需要，就需要发展在线的，与时间有关的分析技术。这样当有极少量有毒物质生成时就可反馈调节过程参数，以减少和消除这些物质的生成。另一关于分析化学应用的例子就是监测反应是否已进行完全。在许多情况下，要向反应体系连续加入反应试剂直到反应进行完全，如有实时的在线分析方法，就可避免因加入过量的试剂而造成废物的污染。 11、生物柴油的化学核心是什么？

答：生物柴油(Biodiesel)是指以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮垃圾油等为原料油通过酯交换工艺制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。生物柴油是生物质能的一种，它是生物质利用热裂解等技术得到的一种长链脂肪酸的单烷基酯。生物柴油是含氧量极高的复杂有机成分的混合物，这些混合物主要是一些分子量大的有机物，几乎包括所有种类的含氧有机物，如：醚、酯、醛、酮、酚、有机酸、醇等。

12、生物质作为新的化学反应的原料面临哪些挑战？

答：基本的科学上的挑战：

（1） 木质素的结构和结构对其降解性的影响；

（2） 定向地朝着我们需要的产品进行降解；

（3） 富氧的分子的处理；

（4） 其中所含的一些杂质对降解参数和产物的分布，用可再生的原料

技术上的挑战：

（1） 生物质的富集；

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

不同种类生物质和在不同地方生长的生物质的不同； 连续的操作 对混合物的操作 产品的浓缩和分离 如何有效地利用副产品

第三章 作业题答案

1、简答

人类避免有害化学品毒性的途径、生物放大（聚集）、化学品产生毒性的三要素、毒性载体（Toxicophore）和产毒结构（Toxicogenic）、Langmuir 电子等排同性质原理、软化学设计

答：（1） 人类避免有害化学品毒性的途径主要有：

i. 让化学品不容易进入人的身体；

ii. 即使进入人体也不会影响生物化学和生理过程

（2） 生物富集（Bioaccumulation）和生物放大（Biomagnification）即随食物链向上一级进展，化学物质在组织中的浓度增大的现象；

（3）化学品产生毒性的三要素：接触致毒、生物吸收致毒、固有毒性致毒

（4）毒性载体（Toxicophore）：物质的固有毒性是只有毒化学物质引起正常的细胞性质改变的属性，通常由分子的部分结构引起，这部分结构通常称为“毒性载体”；

（5）产毒结构（Toxicogenic）：有些物质没有直接的毒性，但由于其分子的特殊结构，它能在代谢过程中转化为有毒的物质，这种结构特征称为“产毒”结构；

（6） Langmuir 电子等排同性质原理：具有检测分子和电子特征的物质不管其结构是否相似，通常都具有相似的物理性质和其他性质。Langmuir将这一现象称为电子等排同物理性质现象

（7） 软化学设计：它指的是，具有生理活性的、治疗上十分有用的，在人身体内完成治疗作用后很快转化为无毒物质的药物，也称为“后代谢设计”。

2、设计安全有效化学品的外部效应原则的主要内容有哪些?

答：“外部”效应原则，主要是指通过分子设计。改善分子的与其在环境中的分布、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。通过分子结构设计，从而增大物质降解速率、降低物质的挥发性、减少分子在环境中的残留时间、减小物质在环境中转化为具体有害生物效应物质的可能性等均是重要的“外部”效应原则的例子。另外，通过分子设计，从而降低或妨碍人、动物、水生生物对物质的吸收也是“外部”效应原则要面对的问题。

3、设计安全有效化学品的内部效应原则的主要内容有那些?

答：“内部”效应原则通常包括分子设计以达到以下目标：增大生物解毒性，避免物质的直接毒性和间接生物毒性或生物活化。增大生物解毒性包括把分子设计为本身是亲水性的或很容易与葡萄糖醛酸、硫酸盐或氨基酸结合，从而加速其从泌尿系统或胆汗中排出。要避免物质的直接毒性，就要把物质分子设计成无毒无害类化合物，或在分子中引入一些无毒功能团。

5、 消除化学品毒性的Phase-I 反应和Phase-II反应的化学本质是什么？

答：人体代谢陌生化学物质的过程中要发生两类化学反应，分别叫做I相（Phase-I）反应和II相（Phase-II）反应。在I相反应中陌生化学物质通过氧化、还原和水解等过程转化为极性更大的代谢物、从而更容易溶解与水，因而更容易排泄。在II相化学反应中，内源代谢地物如葡萄糖酸盐、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，从而更有利于排泄。

6、典型亲电性物质的结构特征有哪些？其引发的中毒化学反应主要有哪些？人体内细胞的哪些结构容易与亲电性物质发生中毒化学反应？

答：亲核部分包括：蛋白质的中半酰胺酸残基中的巯基；蛋白质中蛋氨酸（甲硫氨酸）中的硫原子；精氨酸和赖氨酸残基中的一级氨基，或蛋白质中的二级氨基；RNA和DNA中尿碱中的氨基。

7、常见电子等排物有哪些？

答：常见电子等排物：

8、举例说明用无毒无害的物质取代有毒有害物质的重要性和可能性

答：利用电子的等排规律设计更加安全化学品的一个成功例子是硅取代物代替杀虫剂MTI-800.MTI-800是一个烈性的杀虫剂，大师它对鱼也有毒性（LC50为3mg/L）,这就限制了其商业使用。用硅原子取代其中的1个碳原子以后，得到另一物质，该物质的杀虫效力变为MTI-800的0.2~0.6倍（即有一定程度的降低），但当浓度为50mg/L时，仍观察不到鱼死亡。说明，用硅原子取代碳原子后，其效力虽受一定影响，但其毒性却降低很多。

9、某化合物的结构如下，指出其可能引发的中毒反应

-Cl 可能发生取代反应 ；-C=O 可能发生加成反应

-N=C=O 可能发生加成反应 ；-C≡N 可能发生加成反应

第四章作业题

1. 由碳、硅元素的化学性质，试讨论用硅取代碳的可行性及硅取代物的优点？

答：碳和硅都是4A族元素，因此，在化学性质上有相似性。与同族的其他元素一样，硅和碳都是4价元素，能形成四面体结构，能与碳形成稳定的化学键。硅取代碳后形成的衍生物是无毒的，尤其是与同族的锗、锡、铅的衍生物相比。因此，硅是唯一一个能用作对碳作等电排置换的元素。另外，硅是自然界存量丰富，价格低廉，且可以各种形式出现的元素。

2. 用辛醇-水分配系数表征有毒化学品毒性的一般准则是什么？

答：辛醇-水分配系数是用来描述物质油溶性的，也是常用于股价有机化学品对水生生物独行的物理化学性质，logP通常能与生物活性很好地关联起来。一般来说，对于仅表现出麻痹型毒性的非离子有机物，在logP≤5时，其致死性和慢性毒性随油溶性成指数增大（不包括染料、聚合物、表面活性剂）；当logP＞5时，毒性随油溶性成指数减少，因此对生物活性降低；logP在5~8之间时，长期接触这类非离子型有机化合物呈现慢性毒性；logP≥8时，长期接触也不表现出毒性，因为此时水溶性很差，化学品变得没有生物活性。（也有一些麻醉型毒物如脂肪醇、氯代苯、丙酮、二硫化物和一些“反应性”化学品如丙烯酸盐、酯等，在logP=6时仍时剧毒的。还有一些“反应性”化学品如脂肪胺、表面活性剂等，则到logP＞8时仍表现出剧毒性）。另一方面，logP很小的化学品由于没有足够的油溶性，因而不能进入水生生物的细胞膜，故没有生物活性。

3. 除了辛醇-水分配系数，还有那些性质可以表征有毒化学品毒性？

答题要点：水溶性、分子大小和相对分子质量等

4. 从分子量、分子体积角度看，应该怎样设计更加安全的化学品？

答：如果分子的所有其他性质均保持不变而仅是相对分子质量增大，其对水生生物的毒性就会减小。一般来说，相对分子质量增大，毒性就会减少。相对分子质量达到1000后，其对水生生物的毒性就可忽略，因为这么大的分子不能扩散通过水生生物的呼吸膜。化学物质对水生生物的毒性也会随其分子提及的增大而减小，这也是因为体积大的分子不易穿过水生生物的呼吸膜。一般说来，相对分子质量大于1000的聚合物的体积也较大，另外一些横街直径较大的物质单体的体积也很大。一般，最小横截直径大于1纳米的分子不易于在水生生物呼吸器官中扩散和穿越。

5. 可降解的化合物在化学结构和物理性质上有何特点？

答：化学结构：

（1） 具有水解酶潜在作用为的物质会增大其生物降解能力（比如酯，酶）；

（2） 在分子中引入以羟基、醛基、羧基形式存在的氧会增大其生物降解性。

（3） 存在为取代的直链烷基（尤其是大于4个碳的直链）和苯环时，由于恪守氧化

酶进攻，因而可增大其生物降解能力

（4） 水中溶解度大的物质更容易生物降解

（5） 相对低取代的化合物。

物理性质：

溶解度和分子尺寸等

6. 常见可降解和不可降解的基团有哪些？

答：可降解基团：

（1） 具有水解酶潜在作用为的物质会增大其生物降解能力（比如酯，酶）；

（2） 在分子中引入以羟基、醛基、羧基形式存在的氧会增大其生物降解性。

（3） 存在为取代的直链烷基（尤其是大于4个碳的直链）和苯环时，由于恪守氧化

酶进攻，因而可增大其生物降解能力

（4） 水中溶解度大的物质更容易生物降解

（5） 相对低取代的化合物。

不可降解的基团：

（1） 卤代物，尤其是氯化物和氟化物

（2） 支链物质，尤其是季碳和季氮或是极度分支的物质，如三聚或四聚丙烯

（3） 硝基、亚硝基、偶氮基、芳氨基

（4） 多环残基（比如多环芳香烃或稠环芳烃），尤其是超过三元的多环稠环或芳烃

（5） 杂环残基，比如吡啶环

（6） 高取代的化合物比低取代的化合物更不易降解

7. 根据染料的基团特性，有机染料可分为几类？设计对水生生物更加安全的染料化学

品要遵循怎样的原则？

答：根据其基团特性，有机染料可分为四类：中性染料（非离子型染料），阴离子染料（带负电染料或酸染料），两性染料（分子中同时含有正电荷基团和负电荷基团）和阳离子染料（带正电荷）。

要设计对水生生物更加安全的染料化学品要遵循以下原则：

（1） 负离子数大于正离子数（电荷数）

（2） 磺酸基优先于羧酸基

（3） 尽可能使相对分子质量大于1000

（4） 尽可能增大分子的最小横截面积

第五章 绿色化学方法 答案

1. 什么是催化剂?为什么说催化剂在绿色化学中有十分重要的意义?

答：催化剂可以加快热力学上可能进行的反应的速率（合成氨中的Fe-K2OAl2O3），可控制反应产物化学物种的选择性（乙烯选择性氧化的不同催化剂：PdCl2-V配合物， Ag/ Al2O3 ，Ni），控制产物的立体规整结构(丙烯的聚合：氧气或过氧化物，Ziegler-Natta)，定向不对称合成旋光异构体(Ru手性膦配合物用于 2-（6-甲氧基－2萘基）丙烯酸+氢 生产 左旋二羟基苯并氨酸)，与温度控制化学物种选择性，与接触时间共同控制产物化学物种选择性（甲烷氧化生产合成气中的Ni / Al2O3 ），具有高度专一性，高选择性，高的反应物转化率和反应的原子经济性的特殊功能的分子机器。

催化科学和技术在绿色化学发展中有重要作用。在污染防治（减少和消除发电厂的废气以及汽车尾气中NOx的排放；减少挥发性有机溶剂的使用等；）活化新的反应原料，催化与反应过程的改善（乙醛的合成、对苯二酚的合成、羰基化合物的合成）等方面都

有重要应用。

2. 相比于传统的氧化剂，哪些是新型的绿色氧化剂？他们各有什么特点？

答：传统的氧化剂有：NaClO, NaBrO, HNO3, KHSO3；CrO3, KMnO4, KCr2O7等，主要的缺点有：产生大量的盐废物，产生大量的废气和废水，产生大量的有毒有害的重金属离子。 新型的绿色氧化剂有：

（1） O2：氧气是最清洁的氧化剂；受限于它的氧化条件，通常伴随有其它辅助性的

氧化/还原剂

（2） H2O2：过氧化氢含有47%的活性氧成分，而且其还原产物为水，不会对环境造成

污染；但过氧化氢比O2和O3都贵，且在室温条件可以分解。

（3） O3：臭氧也是一种对环境有好的氧化剂，它的还原产物O2，但O3通常需要特殊

的发生装置

（4） N2O：N2O在参与氧化后的产物为N2，不对环境造成危害，但是N2O的合成比较复

杂，成本较高

（5） 晶格氧：可以在没有气相氧分子存在的条件下进行烃类的氧化反应，能大幅度

提高烃类选择氧化的选择性，而且因不受爆炸极限的限制，可提高原料浓度，时反应物容易分离回收，是控制深度氧化、节约资源和环境保护的有效催化新技术。

3. 化石资源作为化学化工原料有何优点？生物质作为化学化工原料又有何优点？

答：（一） 采用生物质作为化学化工原料的优点：

（1） 生物质可给出结构多样的产品材料，通常具有特定的立体结构和光学特征结构，

使用者可在合成过程中利用这些已有的结构因素。

（2） 生物质的结构单元通常比原油的结构单元复杂，如能在最终产品中利用这种结

构单元结构的复杂性则可减少副产物的生成。

（3） 由原油的结构单元衍生所得物质，通常是没有被氧化的，而在碳氢化合物中引

入氧的方法是及其悠闲地，且常需要使用有毒实际（比如铬、铅等），造成环境污染。

（4） 增大生物质的使用量可以增长原油的使用时间，为可持续发展作出贡献。

（5） 使用生物质可减少二氧化碳在大气中的浓度，从而减缓问世效应。

（6） 化学工业使用更多的可再生资源可使本身在原料上更有保障。

（7） 生物质资源比原油有更大的灵活性。

（二） 生物质作为化学化工原料的缺点（及化石原料作为化学化工原料的优点）

（1） 在经济上还不具备竞争力。石油工业已相当成熟，从石油开采到从原油中提取出各种有用的烃类，再将其加工成为中间物或最终化学品，已形成了大规模的、高效的生产系统。

（2） 现在考虑用作化学化工原料的生物质是传统的食品原料，把食品原料改作化学化工原料是否合适？生物质需要大量的土地面积来种植，而化石原料可以集中的进行开采。

（3） 生物质有季节性，而化石原料的开采没有。

（4） 生物质的组成复杂，不同种类的物质，其组成和性质都可能不尽相同，这使得对这些物质进行分离变得十分困难。

4. 根据绿色化学的观点，如何改变反应溶剂？各有何特点？

答：绿色化学研究可完成相同反应的无害溶剂系统或无溶剂系统，目前，研究的有效方法有：

（1） 水做溶剂：水作溶剂的两相催化方法：不仅反应条件温和、活性高、选择性好，

5.

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8. 反应之后有机相和水相也极易分离；同时用水作溶剂也避免了有机溶剂对环境的危害。 （2） 离子溶液，优点：1、 可操作温度范围大（-40~300℃），因而可进行各种动力学控制，2、对大量的无机物、有机物和高分子化合物有很大的溶解度，因而所需反应器的体积不大，3、表现出Bronsted酸酸性，Franklin酸酸性和超强酸性。4、蒸汽压小，几乎观察不到；5、对水敏感但有的并不怕遇水，甚至能与水共同使用，故易于工业应用；6、热稳定性好；7、相对便宜且易于制备（低聚反应，聚合反应，烷基化反应，酰基化反应） （3） 高分子溶液：以现用的溶剂为基础进行聚合反应得到现行溶剂的聚合衍生物，它们在化学合成，分离和清洁等过程中具有现行溶剂的溶剂化作用，但却不会挥发到空气中和释放到水介质中造成污染。 （4） 无溶剂化：微波与催化剂和成不适用溶剂的方法，在有机合成中保护反应，去保护反应，氧化反应，还原反应，重排反应等方面均十分有效。 （5） 超临界流体：黏度大，扩散系数小，偏摩尔体积负得很多。 简述反应原料的重要性及绿色化学对反应原料的选择原则。 答：一个化学品合成所采用的反应类型或其他合成路线在很大程度上取决于所选用的原料，原料一旦选定，就必须要选择某些类型的反应。原料对合成路线的效率、过程的环境效应和对人类健康均有极大的影响。原料本身的生产者，原料的保存和运输过程中的操作管理者、原料在使用过程中的加工者会面临多大的危险，是在选择原料时要加以考虑的。对于某些大宗化学品的生产，原料的选择可能改变市场的状况，因为有些物质的主要功能就是作为原料。 对原料选择的一般原则： （一） 考虑原料本身的危险性。我们希望使用无毒无害的原料，因此，在选择原料时，就必须考虑它是否对人对环境无害，是否具有比如毒性，发生意外事故的可能性，是否会破坏生态环境等。 （二） 使用可再生资源：原油炼制等是一个高能耗且高污染的过程，且化石资源毕竟有限，因此在选择反应原料时应尽量选择那些可以再生的。 生物质作为反应原料的缺点。 答：见上。 超临界流体与普通流体相比有何特点？ 答：当流体的温度和压力处于它的临界温度和压力以上时，称该流体为超临界流体。虽然超临界流体的密度与液体的密度相近，但其黏度却只有液体的近百分之一，因此其流动性要比液体好得多，在相同的流速下，超临界流体的流动雷诺数比液体要大得多，所以传递系数也比液体中大得多。溶质在超临界流体中的扩散系数虽然只有在气体中的几百分之一，但却比在液体中大几百倍，这些都表明，物质在超临界流体中的传递比在液体中的要好得多。 超临界CO2作为反应溶剂的局限性。

答：超临界CO2作为反应溶剂的优点：

（一） 可以通过改变压力，在“像气相”和“像液相”之间调节流体的性质，即通过

压力变化，使其性质在接近于气体性质或接近于液体性质之间变化，这样为更好地实现化学反应提供了方便。超临界流体的密度与液体的接近，溶剂强度也接近液体，因而，是很好的溶剂，使用超临界流体，可通过调节压力来改变密度，从而调节一些与密度相关的溶剂性质，如介电性、黏度等，这样就增大了控制化学反应的能力和改变化学反应选择性的可能性。超临界流体又具有某些

气体的优点，如低粘度、高气体溶解度、高扩散系数等，这对快速化学反应，尤其是扩散控制化学反应或包含有气体反应物的反应是十分有利的。

（二） 二氧化碳不可能再被氧化，因而是理想的氧化反应的溶剂。同时，还可以利用

超临界二氧化碳中二氧化碳浓度高的这一性质，是二氧化碳作为反应物的反应在超临界二氧化碳中进行，从而提高反应速率、甚至开发出新的反应。

超临界CO2作为反应溶剂的缺点：

（一） 超临界二氧化碳用于合成化学的最大限制是其溶剂化性质，即物质在超临界二

氧化碳中的溶解度。目前，已经进行的研究表明，在超临界二氧化碳中，物质的溶解度与其密度密切相关，且可以通过加入共溶剂使其大大增加。超临界二氧化碳的溶解度与环己烷类似，同时还具有一定的接受氢键的能力和一定的极性选择性，因袭，相对分子质量小于400的非极性有机物，如烷烃、烯烃、芳烃、酮、醇等均可溶于超临界二氧化碳中，而高极性的化合物，如糖、氨基酸等则不溶；聚硅烷和附带聚合物可溶，而其他聚合物则不溶，利用相稳定剂或起泡剂有时可克服聚合物不溶这一局限。

（二） 由于盐类不溶于超临界二氧化碳中，因此，不能用超临界二氧化碳作离子间反

应的溶剂，也不能用超临界CO2作为离子作催化剂的反应的溶剂。要克服这一限制，可采用螯合剂、相转移剂或高亲油性的离子来把离子物种引入超临界二氧化碳中，也可将金属粒子转变为中心络合物，然后把其引入超临界二氧化碳中。

（三） 由于二氧化碳是亲电性的，它会与一些路易斯碱发生化学反应，因此，不能用

作路易斯碱反应的溶剂。

9. 何谓过程强化？可用哪些方法实现过程强化？

答：使反应体积变得更小，过程变得更清洁，能量的利用更为有效地任何化学工程的颈部都可认为是化工过程的强化。

实现强化的方法：主要包括发展新设备和新技术；即新技术和新设备的设备体积/产量比小、能量消耗少、废物排放少和成本大为降低。主要可以通过设备改进和方法改进来实现。

设备改进：对化学反应的设备的改进（旋转盘反应器、静态混合反应器、静态混合催化剂体系、整体式反应器、微型反应器等）和对其他操作过程的改进（静态混合器、紧凑热交换器、微孔道热交换器、转动填充床、离心吸附器等）。

改进方法：逆流反应器、反应蒸馏、反应提取、反应结晶、燃料电池、使用微波、、太阳能、等离子体技术等。

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