绿色化学第5章绿色化学方法课件.ppt

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1、《绿色化学》电子教案湖南科技大学化学化工学院第五章绿色化学方法2021/8/17目录第一节催化剂在化学反应中的作用第二节绿色化学与催化第三节高效无害催化剂的设计第四节改变反应原料第五节改变反应试剂第六节改变反应溶剂第七节化学反应的过程监控和化工过程强化2021/8/17第五章绿色化学方法由于在设计阶段就必须考虑化学品和化学过程对环境和对人类健康的影响，而化学品及其转化过程是多种多样的，故相应的绿色化学方法也必然是多种多样的。通常可分为如下几类，即采用催化剂、改变反应原料、改变反应试剂、改变反应溶剂、反应过程的监控和过程的强化等

2、。2021/8/17第一节催化剂在化学反应中的作用自从1836年瑞典化学家Berzelius提出催化作用这一概念后，催化剂及其在化学反应中的作用的概念一直在发展之中。首先我们来看表5-1所示的典型催化反应。从表5-1可见，催化剂在化学反应中可起多种作用，对于反应1而言，Fe-K2O/Al2O3催化剂体系加快了氮与氢反应生成氨的速度。对反应2而言，反应物完全相同，但采用不同的催化剂就得到完全不同的产物。乙醛与环氧乙烷是同分异构体，采用不同催化剂时，目标产物选择性均极好；反应2c是三个反应中热力学可能性最大的反应，但当采用2a、2

3、b所用催化剂时，这一热力学可能性最大的反应并不发生。2021/8/17第一节催化剂在化学反应中的作用2021/8/17从这个例子可见，催化剂不仅能加快热力学上可能进行的反应的速率，同时催化剂还能有选择性地加快多种热力学上可能进行的反应中的其中一种反应，选择性地生成某一特定目标产物，即催化剂可控制反应产物化学物种的选择性。这一情况在合成气的反应中也很突出。合成气（CO＋H2）在镍基催化剂作用下生成甲烷。在铜基催化剂作用下生成甲醇，在铑基催化剂作用下生成低碳醇，在铁基催化剂作用下生成汽油，在钴基催化剂作用下生成乙二醇，在钌催化剂作

4、用下可合成聚甲烯等等[5]。反应3a→3c，化学反应的原料均为丙烯，且产物也都是聚丙烯，但是采用不同的催化剂，所得聚丙烯的立体规整性就不相同，由3a→3c所得聚丙烯第一节催化剂在化学反应中的作用2021/8/17的立体规整性增强，同时产物的熔点逐渐升高，反应条件也逐渐由高温高压变为低温低压。在这种情况下，催化剂在反应中起到了控制产物立体规整性的作用。对反应4的反应物，采用一般有机合成或一般传统催化加氢方法时，获得的产物往往是产物的各种可能的旋光异构体的外消旋混合物，而选用适当的催化剂后就可定向合成单一的旋光异构体。反应5和反应

5、6均是采用相同反应物，相同催化剂，不同操作条件（对反应5为温度，对反应6为接触时间）获得不同产物的典型例子，也就是说，催化剂与反应条件共同作用，控制产物的化学物种选择性。第一节催化剂在化学反应中的作用2021/8/17在生命过程中，最需要高度的选择性和原子经济性，在生物体内进行的化学反应都是以酶作为催化剂的。这些酶催化的反应通常都是高度专一、高选择性和原子经济的。因此，这种酶催化剂被称为分子机器[6]，其大小以纳米计。从生物化学或分子生物学中可以找到一些酶的高级结构图及其作用机理的图示，的确很像一台工作万无一失的进行分子加工的

6、机器。现在，对蛋白质分子的高级结构与其功能的关系的认识已很深入，足可以使人们能够从所需功能去设计高级结构，并在高级结构中设计多肽的序列，以便进行合成，这就是蛋白质工程学。它必将在医药和健康产业大显身手，为其他的反应，特别是工业应用中的化学反应开发分子机器提供广阔前景。第一节催化剂在化学反应中的作用2021/8/17第一节催化剂在化学反应中的作用尽管为化学反应过程设计分子机器比设计光电器件和其他机械加工设备要复杂得多，但由分子机器引发的社会经济和环境效益却很大。近年来的研究发现，不仅酶的功能像一台万无一失的机器，我们常用的化学催

7、化剂也具有这种功能，其典型例子是环戊二烯金属络合物用作烯烃聚合反应的催化剂。Ziegler-Natta催化剂是50年代发现的用于在低压下合成聚乙烯和聚丙烯的催化剂，是由烷基铝和三氯化钛组成的固体混合物。但对催化剂中金属原子周围的结构以及催化剂作用的机理并不清楚，从而对聚合物的结构和性能难于调控。2021/8/17第一节催化剂在化学反应中的作用60年代，荷兰壳牌实验室的Cossee等为钛原子设定了合理的配位结构和配位原子间距，通过分子轨道法计算，提出了乙烯聚合反应中链增长的顺位插入机理。该机理让人联想到一台在分子水平上起作用的纺

8、车，增长中的链与单体分子往复于两个顺式配位结构之间，如图5-1所示。2021/8/17第一节催化剂在化学反应中的作用前苏联科学院的Dyachovski等曾指出，在由环戊二烯与金属钛形成的络合物中，金属原子钛上带有正电荷，因而络合物的性质应与Ziegler-Natta催化剂基本