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1、绿色化学系列知识之十二

——2007年美国总统绿色化学挑战奖获奖介绍

　　在过去的12 年,总统挑战奖获奖项目的实施已经消除了4216 万吨的有毒化学品和有机溶剂,节约了2217万吨水,以及少排放超过1514万吨的二氧化碳。本文介绍了 2007 年第十二届美国总统绿色化学挑战奖的获奖项目及其创新与价值。

1 学术奖

学术奖授予德州大学奥斯汀分校(University of Texas at Austin)的Michael J.Krische教授,他因发展了具有完善原子经济性和选择性的以氢为媒介的C-C键构建方法而获此殊荣。

专家小组对此项研究的创新和价值评价是：化学研究的基本特征之一是在碳原子之间创造C-C化学键。目前工业上经常采用的生产C-C键的方法在形成C-C键的同时产生大量的废物。Krische教授发展了一种全新的化学反应类型，这种反应通过金属催化剂作用并以氢为媒介在碳碳之间形成化学键。这种新的反应类型可以将简单的化学品转化为更复杂的化合物，如药物中间体、杀虫剂以及其他重要的化学品等,且只生成很少的废物。

　　以氢为媒介的还原反应称为“加氢反应”，是工业上最广泛采用的催化方法之一。加氢反应是形成碳-氢（C－H )键的常用方法。Michael J. Krische教授及其同事共同发展了一类可以形成C－C键的加氢反应。在这些金属催化的反应中，两种或多种有机分子和氢结合形成单个的、更复杂的产品。因为反应物中的所有原子都出现在最终产物中,因此,Krische教授开发的C－C 键加氢合成方法从源头消除了污染。

　　在Krische教授工作之前,以氢为媒介的C－C键合成反应几乎完全限于对CO加工应用领域,例如CO的烯烃氢甲酰化(1938)和费托合成反应(1923)。这些最早的以氢为媒介的C－C键合成反应目前已经实现了大规模的工业应用。尽管这些反应如此重要,但是长期以来没有研究人对与C－C键合成相关的加氢反应进行系统研究。仅有的一些零星研究触及到C－C耦合合成的加氢方法。可以说,这个领域近70年几乎无人问津。

　　Krische教授的氢介质耦合过程在羰基和亚胺基加成反应中避免了使用已有的有机金属试剂如格利雅(Grignard)和吉尔曼(Gilman)试剂。通常这些有机金属试剂具有很高的反应活性，而且对潮湿很敏感，有时产生火花，暴露于空气中容易自燃。Krische教授开发的耦合反应通过使用催化剂避免了传统有机金属试剂可能带来的危险。而且,该过程使用手性加氢催化剂,使耦合反应高选择性地生成了C－C 键。

　　催化加氢反应已经发现了100 多年,它的效率、原子经济性以及成本已经经过时间的检验。通过开发C－C键合成的加氢方法,Krische教授在化学的最基本的催化过程中拓展了一片崭新的广阔领域。Krische教授开发的C－C合成加氢方法引导化学家们高选择性地制备更复杂的有机分子，消除了有毒原料和有害废物。该技术的商业应用可以消除大量有害化学品的使用,从而使装置和工人更为安全，使工厂可以实施一些利用传统试剂太过危险的化学转化过程。

2 小企业奖

　　NovaSterilis公司因为开发了使用超临界二氧化碳、环境友好的医用杀菌技术而获此奖项。

　　专家小组对此项研究的创新和价值评价是：为了保证万无一失,在移植手术中对于生物组织的消毒是很严格的。目前移植技术常采用乙撑氧或C射线来消毒，但是这两种消毒技术不是有毒就是存在安全问题。NovaSterilis公司发明了一种新的消毒技术。这种消毒技术使用二氧化碳和双氧水的混合物为大量的精细生物原料如移植组织、疫苗以及生物基聚合物消毒。他们开发的Nova2200消毒器既没有用到危险的乙撑氧,也没有使用C射线。医学常用的任何常规消毒办法都不能很好地消毒脆弱的生物材料。对于这些生物材料的消毒是很严格的,因为如果消毒不好,来自组织库的受污染的捐赠组织器官会使被移植者感染并可能导致严重的疾病。同时,最常使用的两种消毒剂(乙撑氧或 C射线 )也会引起中毒和安全问题。乙撑氧是一种可挥发、易自燃的反应性气体,也是一种诱变致癌物。乙撑氧会残留在被消毒的材料上,从而增加中毒的危险; 而C射线则具有相当高的穿透力, 对于所有的细胞都是致命的。无论是乙撑氧还是C射线都不能保证在不破坏物理完整性的情况下消毒成包的生物制品。

　 NovaSterilis公司,一个位于美国纽约伊萨卡(Ithaca)的私立生物技术公司,成功地开发了一种效果良好并且环境友好的消毒技术并实现了商业化应用。该技术采用超临界二氧化碳消毒脆弱的生物材料。NovaSterilis公司首先获得了生物可降解聚合物的细菌灭活专利许可,该专利所有人为麻省理工学院的Robert S. Langer教授和他领导的研究团队,然后，NovaSterilis公司通过改进、扩展并优化该技术以杀死最顽固的细菌内孢子。他们开发的超临界二氧化碳技术采用低温和循环变化的中压,同时加入少量水和一种过氧化物(过氧乙酸)。他们开发的Nova2200消毒器可以在很短的时间内(<1h)杀死大量细菌包括细菌内孢子。目前,虽然细菌灭活的机理尚不是很清楚, 但是并没有明显的细菌细胞溶菌作用或细菌蛋白质的大规模的降解。

　　新技术适用于敏感的生物材料,而且对于各种重要的生物材料是有效的,这些材料包括:(a)用于移植的肌骨骼同种异体移植物组织(如人体骨骼、腱、皮肤以及心脏瓣膜);(b)生物可降解聚合物以及用于医疗的相关设备、工具和药物;(c)药物输送系统;(d）保持高抗原性的全细胞疫苗。除了作为绿色化学技术外,超临界二氧化碳杀菌技术可以达到终极杀菌,也就是说,可以对完整包装的最终产品杀菌。相对于传统防腐剂过程杀菌,终端杀菌可以实现更安全的无菌保证。双层袋装组织的杀菌技术,使人们可以直接将包装的终端杀菌的肌骨骼组织从组织库运送到手术现场,外科手术人员可以立即打开使用。NovaSterilis公司的专利技术可广泛应 用于组织库和其他生物介质、生物制剂、医疗设备、 药物以及疫苗工业。2006年底,NovaSterilis公司向组织库销售了多套消毒单元。

3 更绿色合成路线奖

　　美国俄勒冈州立大学的Kaichang Li教授、哥伦比亚Forest产品公司和Hercules公司联合开发了环境友好的木材加工粘合剂，并获得商业应用,从而获得了更绿色合成路线奖。

　　专家小组对此项研究的创新和价值评价是：用于生产木材夹合板及其他木材复合板的粘合剂通常含有有毒的甲醛。俄勒冈州立大学的Kaichang Li教授、哥伦比亚Forest产品公司和Hercules公司联合开发了一种替代粘合剂。这种粘合剂主要成分是大豆蛋白。这种环境友好的粘结剂比现有传统粘合剂强度更高,成本更具优势。2006年,哥伦比亚Forest产品公司使用这种新型的、大豆蛋白基的粘合剂代替了超过2.1万t的传统甲醛基粘合剂。

　　自1940年以来,木材复合板加工工业一直使用合成树脂粘结剂将一张张木材薄板粘到一起形成复合木材,如夹板、刨花板、纤维板等。工业上使用最频繁的甲醛基粘合剂包括苯酚甲醛、脲醛树脂。甲醛是一类致癌物质,对人体非常有害。在制造和使用甲醛基树脂粘合的复合木材过程中, 会将甲醛释放到空气中,这对工人和用户都是危险的。

　　俄勒冈州立大学的Li教授和他领导的研究团队从“蚌类使用蛋白质粘附在岩石上”这一自然现象中获得灵感，认识到蛋白质的这种独特性质，从而发明了一种基于资源丰富、可循环再生的大豆蛋白的环境友好木材粘合剂。Li教授将一些氨基酸加入到大豆蛋白中,使其更类似于蚌类所用的粘结蛋白质。Hercules公司提供了一种关键固化剂和将其应用到夹板商业生产中的专门技术。俄勒冈州立大学、哥伦比亚 orest产品公司(CFP)和Hercules公司联合将这种大豆基的粘合剂商业化,以制造成本更具优势、用于家具内部件的夹板和刨花板。大豆基的粘合剂不含甲醛, 也不使用甲醛作为原材料。与夹板中常使用的UF树脂相比,此类粘合剂环境友好,成本更低,具有更好的强度和耐水性能。2006年,所有CFP夹板生产厂都采用了大豆基粘合剂,代替了超过2.1万t的传统甲醛基粘合剂,使每个CFP工厂排放的有毒气体污染物(HAPs)减少了50%到90%。这种新型的CFP夹板商品名称是PureBondTM。预计2007年,CFP将在它的刨花板加工厂中更换掉UF粘合剂,同时,他们正在寻求与其他工厂合作,以使这项技术获得更广泛的应用。

　　该技术的应用,使制造家具、厨房橱柜的工厂,其他复合木材原料的用户及家具用户都有了性能良好的、无甲醛的替代品,从而使家庭和办公室室内空气质量得到显著提高。该技术是可以代替有毒UF树脂的第一代成本低廉、环境友好粘合剂的典型代表,可以大大提高美国复合木材公司的全球竞争力。该技术也为供过于求的大豆粉开辟了一个全新的应用市场,给生产大豆的农户也带来了直接经济效益。

４ 更绿色反应条件奖

　　更绿色反应条件奖授予了Headwaters Technology Innovation(HTI)公司,该公司开发了一种用选择性纳米催化技术直接合成双氧水的合成路线。

　　专家小组对此项研究的创新和价值评价是：双氧水是一种环境友好的氧化剂,它可以替代氯及含氯漂白剂和氧化剂。但双氧水的生产成本比较昂贵,目前的制造方法要用到危险化学品。HTI公司开发了一种先进的金属催化剂,直接用氢和氧合成双氧水,不使用有毒化学品,产品的唯一副产物是水。HTI公司的这项新技术已完成中试,并和Degussa AG合作建立了双氧水生产装置。

　　双氧水( H2 O2 ) 是一种清洁、通用、环境友好的氧化剂,可用于代替目前许多制造过程中使用的对环境有害的氯化氧化剂。但目前生产双氧水的过程复杂、昂贵、能耗大,而且要用到含有几种有毒化学品的蒽醌工作液。这种工作液在催化剂作用下加氢还原,形成氢蒽醌, 然后再与氧反应释放出双氧水。双氧水通过十分耗能的反向汽提塔移出,然后通过真空蒸馏提浓。工作液可以循环使用。但是,该过程会副产大量无任何利用价值的苯醌及衍生物废液,这些废料需处理合格后才能排放到环境中去。

　　HTI公司开发了一种直接用氢和氧合成双氧水的高效催化技术。这项称作NxCatTM 的创新技术使用一种钯-铂催化剂,消除了目前工艺中的所有有害的反应条件和化学品,不产生任何不理想的副产物。该催化剂可以更高效地生产双氧水, 大大降低了能耗。该技术使用无毒、可循环使用的原料,不产生任何有毒废料。

　　NxCatTM催化剂的特点是它具有精确控制的表面形貌可生产出高性能的聚氨酯泡沫。这些泡沫气味小,颜面形貌。HTI公司设计制造了一系列控制催化剂晶体结构、粒径、组成、分散度及稳定性的模板剂和底物。该催化剂具有均一的4nm 形体尺寸,可以确保在空气中的氢气体积分数低于 4%(即低于氢气的燃烧极限)时仍具有高的产品收率。同时,双氧水的选择性也达100%。

　　NxCatTM技术是一种简单、商业可行的双氧水制备过程，与著名的双氧水催化剂公司Degussa AG 合作, HTI成功地证明了NxCatTM技术,并于2006年建成示范工厂。示范工厂允许合作伙伴收集必须的数据以设计工业装置,并计划于2009年实现商业生产。NxCatTM过程可以大大降低双氧水的生产成本,提高它作为工业氧化剂的市场份额。若不是价格昂贵,双氧水完全可以取代市场上使用更频繁、有毒得多的氯化氧化剂。与传统双氧水生产技术相比, NxCatTM技术具有生产效率更高、环境更友好、不产生废物以及投资更低的优点。

5 设计更绿色化学品奖

　　Cargill公司因开发了BiOHTM多羟基化合物而获得了设计更绿色化学品奖。

专家小组对此项研究的创新和价值评价是:用于家具或床上用品的泡沫材料是由人工合成原料聚亚胺酯制造而来。用于制备聚亚胺酯泡沫材料的单体材料之一就是“多羟基化合物”。多羟基化合物通常从石油产品获得,而Cargill公司的BiOHTM多羟基化合物通过可再生的生物质资源植物油制备。用BiOHTM 多羟基化合物制备的泡沫完全可与由传统多羟基化合物制备的泡沫媲美。结果,每使用454t的BiOHTM多羟基化合物,节约近318t原油。此外,Cargill公司开发的制备过程可以节约23% 的能量消耗,并减少36% 的二氧化碳排放。 多羟基化合物是聚氨酯软质泡沫材料的主要成分,过去,聚亚胺酯主要从石油基多羟基化合物制备。用生物质多羟基化合物代替传统方法制备多羟基化合物的思路不是全新的,但是过去研究的生物质多羟基化合物在性能、颜色、质量、坚固性以及气味方面都较差,限制了它们的应用。而且,早期开发的生物质多羟基化合物化学反应性很差,所制备的泡沫材料的性能很不理想。

　　Cargill公司成功地开发了几种应用于聚亚胺酯的生物质多羟基化合物,包括技术上最难实现的聚氨酯软泡。Cargill公司将不饱和植物油中的碳碳双键转化为环氧化物的衍生物,然后在比较温和的温度和常压下,将这些衍生物进一步转化为多羟基化合物。BiOHTM多羟基化合物具有良好的反应性和结合能力,可生产出高性能的聚氨酯泡沫。这些泡沫气味小,颜色轻,达到了全新的标准。含有BiOHTM多羟基化合物的泡沫在不添加紫外线稳定剂的情况下也能更长时间地保持白色。它们的性能也超过了只含有石油基多羟基化合物的泡沫。对用于家具和床具的更大的块状泡沫,BiOH 5000型多羟基化合物也可以提供更大的可成型尺寸范围,从而提高舒适度,使密度和承重能力更均匀;在制备象汽车坐垫、头架等铸造泡沫方面,与传统多羟基化合物相比,BiOH2100型多羟基化合物可以提高承重能力或硬度。

　　与传统的多羟基化合物相比, BiOHTM多羟基化合物的应用减少了对环境的影响。BiOHTM多羟基化合物利用了植物通过光合作用从空气中获得的碳原子。BiOHTM多羟基化合物中的所有碳原子都是在短期固定的,而传统的多羟基化合物中的碳则来自长期形成的石油产品。BiOHTM多羟基化合物使工厂的原料供应有了更多选择,可以有效减轻由于石油供应和石油价格不确定性所带来的影响。Carg ill公司是第一家在软泡沫市场大规模商业化应用生物基多羟基化合物的公司。配方设计师现在可以在软泡沫制备中使用生物 基多羟基化合物,而产品性能不会改变。顶级的北 美多羟基化合物用户选择BiOHTM多羟基化合物, 就是对Cargill公司成就的肯定。

2、羰基可以与氢气加成吗：酮羰基能和氢气加成吗

酮羰基能和氢气加成吗？

羰基能和氢气发生加成反应，比如酮羰基可以与氢气在催化的条件下发生加成反应，最终生成仲醇。羰基能和氢气加成。

羰基是由碳和氧两种原子在通过双键连接而成的有机官能团(C=O)，那么它是否可以和氢气发生加成反应。

事实上，羰基能和氢气发生加成反应，比如酮羰基可以与氢气在催化的条件下发生加成反应，最终生成仲醇;不过，酮羰基无法与液溴发生加成反应。酮羰基和氢气的反应方式有机化学中，羰基化合物指的是一类含有羰基的化合物。由一个sp2或sp杂化(见杂化轨道)的碳原子与一个氧原子通过双键连接而成的有机官能团，其化学式为C=O。羰基化合物最常见的物理性质其沸点较高，因为羰基具有偶极矩，大大增加分子间的吸引力，其沸点比烷烃高，但比醇低;某些羰基化合物的氧原子可以与水形成氢键，因此导致某些羰基化合物易溶于水，例如醛酮。

羰基和氢气加成反应

羰基不会和溴水反应（羰基还原性不强），但是可以和氢气加成（变成羟基）醛基会被溴水氧化（生成溴化氢和羧基），也可以和氢气加成（变成羟基）酯基既不会和溴水反应（还原性不强），也不会和氢气反应（生成酯基后双键很稳定）

羰基可以与氢气加成吗,羰基可不可以与氢气发生加成反应

1.例如乙醛中存在羰基，乙醛和氢气反应会生成乙醇。 2.羰基：由碳和氧两种原子通过双键连接而成的有机官能团。

3.是醛，酮，羧酸，羧酸衍生物等官能团的组成部分。

4.氢气：常温常压下，氢气是一种极易燃烧、无色透明、无臭无味的气体。 5.氢气是世界上已知的密度最小的气体，氢气的密度只有空气的1/14，即使在零度时，一个标准大气压下，每升氢气的重量仅为0.0899克，所以氢气可作为飞艇、氢气球的填充气体，但由于氢气具有可燃性，安全性不高，飞艇现多用氦气填充。 6.氢气是相对分子质量最小的物质，主要用作还原剂。

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