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绿色化学的若干衡量指标（一）

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绿色化学的若干衡量指标（一）来源:北京北方伟业计量技术研究院日期: 化学科学为人类的经济和社会发展做出了巨大的贡献，是推动人类进步的强有力工具。

  化学科学为人类的经济和社会发展做出了巨大的贡献，是推动人类进步的强有力工具。化肥和杀虫剂的出现，输送车确保了农产品的增产增收，解决了人类的基本生存问题。各类新型药物的开发，使许多困扰人类的疾病得以治愈和消灭，我国城乡居民人均寿命已从新中国成立初期的35岁提高到2018年的77岁。纤维、橡胶、塑料三大高分子检查数字电路电压是不是为＋5V材料，极大地提升了人们的生活质量。

  现代商业合成化学始于19世纪中叶苯胺紫染料的制造。在过去很长的一段时间内，化学品的设计、生产和使用都是基于其功能表现来评价的，必须保证系统预热20分钟以上忽略了其对环境和人类健康的长期影响。加之化学家和企业把利润放在第一位，所以怎样用最低的成本生产功能最为强大的产品一直是传统化学发展的准则。久而久之，公众常将化学与有毒、污染和危险联系在一起。随着社会各界对可持续发展问题的日益关注以及化学工业自身发展的需要，绿色化学孕育而生。1998年，astas和rner振动机械出版了《GreenChemistry:TheoryandPractice》一书，提出了绿色化学的“十二条原则”，对化学过程从原料、工艺到产品，以及涉及到的成本、能耗和安全等诸多方面都提出了要求。

  过去20多年间，绿色化学的研究及应用受到了越来越多化学家的重视，这从GreenChemistry(IF20199.480)、ChemSusChem(IF20197.962)、ACSSustainableChemistry&Engineering(IF20197.632)、JournalofCleanerProduction(IF20197.246)这些与绿色化学相关学术杂志逐年上涨的影响因子可见一斑。定量评估化学产品及其生产过程的绿色化程度是一项庞大而复杂的系统工程。它不仅要考虑原料是否得到有效的利用、是否可以再生，还要考虑到生产过程是否需要消耗大量的能源、是否需要额外的辅助物质、是否安全可靠等因素。即使产品制造出来以后，还需要考虑其废弃后是否产生污染、是否对人类健康有害等。

  绿色化学旨在从源头上减少废物的产生和有毒有害物质的使用，涉及到产品的设计、生产、使用和废弃的每一个阶段。随着绿色化学研究的不断深入，多个可量化的评估绿色化程度的衡量指标相继出现。正如一句管理学格言所说“youcanonlymanagewhatyoucanmeasure”，这些定义明确、简单、可测算、客观而非主观的量化衡量指标，为化学家设计更加绿色、安全、环境友好的工艺和产品提供了标准。

  目前广泛使用的衡量指标主要有原子经济性、碳效率、反应质量效率、环境因子、环境商值、过程质量强度、生命周期评价、绿色期望水平等。尽管究竟哪一类指标更能反映一个化学过程的绿色化程度还存在争议，但毋庸置疑，这些衡量指标都可在一定程度上为绿色化学的研究和实际生产提供指导。下面我们对它们分别做一个详细的介绍。

  1原子经济性(atomeconomy，AE)

  原子经济性考虑的是在化学反应中究竟有多少原料的原子进入到了产品之中。它通常由原子利用率(atomutilization，AU)来表示，即目标产物的摩尔质量与所有反应物摩尔质量之和的比值。这一概念是由美国斯坦福大学ost教授[7]在1991年首次提出的，他也因此获得1998年美国“总统绿色化学挑战奖”中的学术奖。

  原子经济性仅仅衡量原料中的原子转化为目标产物的情况，并不考虑产率(均假定为100%)、原料之间的摩尔比(均假定为1:1)和选择性等情况，也不计算合成过程中使用的各类催化剂和助剂。对于一条线性的合成工艺，其原子利用率可以由最终产物G的分子量除以所有原料A–F的分子量总和来计算(图1a)。而对于收敛合成的工艺，中间产物C、E、H、J可以完全忽略，原子利用率为最终产物P的分子量除以原料A、B、D、F、G、I的分子量总和(图1b)。

  从原子经济性的定义可以看出，在常见的各类型反应中，加成反应和重排反应可以实现100%的原子利用率，而取代反应和消去反应都或多或少地会造成原子的浪费。所以为了提高合成工艺的原子利用率，我们要尽可能地使用加成和重排反应。虽然这一道理浅显易懂，但实践起来仍面临诸多挑战。例如，α,β-不饱和酮常通过羟醛缩合或者Wittig反应来合成，但这些都不是100%原子经济性的反应。Trost等发展了一种通过末端炔烃与醛加成，然后钌催化炔醇异构的方法，实现了α,β-不饱和酮的100%原子经济性合成(图2)。实现反应的高原子经济性，需要化学家从化学键的断裂和形成等基本科学问题着手，发展新的合成策略，这也将成为现代合成化学家需要时刻放在心中的指导方针。

  2碳效率(carbonefficiency，CE)

  国际上通常用碳足迹(carbonfootprint)来衡量一个组织或者产品释放的温室气体(GHG)量，主要由每年碳排放，即碳消耗量来评估定义。化工行业的CO2排放不同于其他任何制造业，化石原料有大量的碳原子通过化学反应进入产品中。计算化学转化过程的碳效率，是对化学原料碳足迹进行衡量的一种量化分析方法。

  碳效率定义为原料中的碳原子保留在产物中的比例。与原子经济性不同，计算碳效率时，需要考虑原料之间的摩尔比以及产物的产率。以反应A+B→产物+副产物为例，其碳效率的计算机床设备方法如下：

  3反应质量效率(reactionmassefficiency，RME)

  反应质量效率也是衡量原料利用率的一种指标，它是指有多少质量的原料被转化进入了产物中。对于反应A+B→C，其反应质量效率计算如下：

  原子经济利用率(AU)、碳效率(CE)和反应质量效率(RME)都能衡量原料转化为产物的比例，但三者之间在计算时略有差异。下面是苄醇与对甲苯磺酰氯反应的实验过程：苄醇(10.81g，0.10mol，分子量108.1)与对甲苯磺酰氯(21.9g，0.115mol，分子量190.65)在15g三乙胺的促进下，置于500g甲苯溶液中反应，以90%的产率得到对甲苯磺酸苄酯(23.6g，0.09mol，分子量262.29)。我们以此为例分别计算一下该反应的AU、CE和RME：

  4环境因子(environmentalfac拉伸：力—伸长、应力-应变；力-时间、伸长-时间、应变-时间t，EF)

  从上面计算可知，原子经济性、碳效率和反应质量效率这些衡量指标，均未考虑反应过程中使用溶剂甲苯和辅助试剂三乙胺的量。如果化学家只将注意力放在提高目标产物的收率上，则有可能忽略减少整个工艺的环境负担问题。根据美国化学会绿色化学研究所(ACSGCI)制药业圆桌会议的基准化分析，反应原料仅占药物生产过程中的7%，而水和溶剂的使用量分别占了32%和56%。为了考查化学品制造全过程对环境造成的影响，1992年荷兰代尔夫特理工大学eldon提出了环境因子的概念。环境因子定义为产品生产全过程中所有废物质量丝管冷凝器与目标产物质量的比值。

  它不仅针对副产物、反应溶剂和助剂，还包括了在产品纯化过程中所产生的各类废物，例如中和反应时产生的无机盐、重结晶时使用的溶剂等。从化学工业相关的各个子行业来看，往往产品越精细，附加值越高，环境因子也越大。例如石油化工产品环境因子一般为0.1，大宗化学品为1–5，精细化学品大约在5–50之间，而药品的环境因子可高达100以上。值得一提的是，在Sheldon对环境因子的定义中，水并没有算在废物之列，不仅是因为水的计入会导致环境因子数值的大幅升高，也会使得不同工艺之间的可比性降低。

  对于制药行业而言，由于药物结构相对复杂、合成路线长，通常环境因子也较高。因此，如何减少废物中比例较高的溶剂使用量显得尤为重要。一个成功的5. 试样断裂后例子是辉瑞公司研发的治疗男性勃起功能障碍的药物西地那非(商业名Viagra®)，于1998年获FDA(美国食品药品监督管理局)批准上市。该药物1990年在实验室研发阶段时，每合成1kg产品，要使用1300L的溶剂，其中绝大部分是高毒性的二氯甲烷和丙酮。1997年药物上市前，其商业化的合成路线将每公斤产品的溶剂量降低至22L，并将二氯甲烷和丙酮替换成了毒性较低的2-丁酮和乙酸乙酯。未来辉瑞公司的目标是通过溶剂回收等手段，把溶剂的使用量控制在4L∙kg−1。

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