化學的永續發展原則

化學的永續發展原則

劉 廣 定

引 言

人類世界的物質文明除了少數保守、封閉的族群外，幾千年來一直在朝進步的方向發 展。漫長的人類歷史裏，從洪荒草昧演變到現代文明，其間智慧漸開、技藝衍生而對大 自然之了解也愈多。由原始初民之畏天，逐步經敬天、順天進展成用天工以開物。文明世 界中人生活持續改善，社會結構與行為也不`斷變化，迄今猶然。但自然環境受到的影 響，古今不同。工業革命前之進展較緩、人工所為涉及範疇亦不大，除因過度墾伐而曾 造成一些自然災害外，幾無凌越自然法則者。但十八世紀後期工業革命發生後，人類漸 生駕御甚至主宰大自然之雄心，種種發明與建設，對自然環境有負面影響者亦漸多。

「永續發展」（sustainable development）是近年來逐漸形成之一重要思潮。據 1987 年 聯合國「世界環境與發展委員會（WCED）」報告書之定義，能滿足當代所需但不損及 後代滿足其所需之發展稱為「永續發展」。這一觀念之形成，其來有自。

就以實體存在於世上之「物質」而言，約在十九世紀之前，人為製品鮮有不能化為腐 朽、回歸天然者；會危害自然環境者也極少。十九世紀以降，由於科學與技術快速進步 特別是化學合成法日益發達，大量多樣「新」物質陸續問世，則漸生變。迄今已知的「純 化合物」已逾兩千萬種，其組合物、混合物更不計其數，而其中極大多數皆非世所原有。

雖自近五、六十年來，因化學產品之助，人類生活品質大幅改善，健康與壽命亦顯著增 進。唯於製造「有用」物之同時，也隨而產生了大量「無益」甚或「有害」於自然環境之物，

破壞了自然界的循環與平衡，亟待挽救。

永 續 化 學

一般人常以為化學反應都像小學時就學過的氣體二氧化碳通入石灰水產生碳酸鈣一 樣，反應完全且產物單純。

CO₂ + Ca(OH)₂ CaCO₃ + H₂O

實際的化學反應常不但不能完全反應而且生成物複雜，尤其是有機化合物的反應常有 多種副產物，其中又包括許多無用的廢棄物。1992 年荷蘭 Delft 技術大學 Roger A.

Shelton 教授曾統計幾類化學工業製程所產生副產物之量，他用 E 因數 (E-factor) 表示得 到每一公斤主產物時產生包括廢棄物在內的副產物公斤數（E = kg 副產物/kg 主產物）

如下。

工業製程 每年產量（噸） E 值 原油煉製 10⁶-10⁸ 小於0.1 工業化學品 10⁴-10⁶ 小於1～5 精緻化學品 10²-10⁴ 5 到大於 50 醫藥化學品 10¹–10³ 25 到大於 100

以醫藥化學品為例，年產總量達數十至千噸，平均每製成一公斤同時產生副產物少達 二十五公斤、多則逾一百公斤！換言之，以往雖因發明、生產成千上萬種醫藥化學品，

有益於保護人類健康、延年益壽，但須耗費很多天然資源，而所產生的大量「廢物」更可 能造成環境汙染。豈能等閒視之？

兩千多年前我國先哲如孟子就曾闡釋對自然資源休養生息，以保永續利用之觀念。兩 百多年前，西方近代學者如英人馬爾撒斯也已提出人口與人類消費之增加將受物產資 源限制的社會經濟論點。但近幾十年來，現代科學與技術以一日千里之勢突飛猛進，則 使人因陶醉於科技成就之中，誤信已有能力征服自然，而忽略自然界漸遭過度開發及 破壞卻乏適當補償所造成的「惡果」。一九五零年代後期日本因化學工業造成嚴重汞汙染 導致了「水俣（Minamata）病」及鎘汙染導致了「痛痛（itai itai）病」，使人開始注意 工業造成的「公害」問題。1962 年美國《寂靜的春天》（The Silent Spring）一書問世後，

更慢慢喚起了世人對保護其生存環境的重視，「環境保護」之意識也漸形成。到了1984 年印度Bhopal 地方化工廠異氰酸甲酯洩漏，死人數千，各國「環保」意識幾乎都升到最 高潮。唯大部分環保人士多年來為求「保護」環境，常持消極態度、負面行為對待科技發 展、工業生產及開發建設。臺灣甚多環保團體及個人之觀念迄今依然，有待匡正。

1992 年六月，聯合國在巴西里約熱內盧召開「環境與發展」會議，議定「廿一世紀待 辦事項」（Agenda 21）40 章，將五年前所提出之「永續發展」界定其原則與推展計劃 。 1993 年又成立了「永續發展委員會」（Commission of Sustainable Development），主掌 宣導與推展。除加強世人認識自然、保護環境之觀念外，並採積極的態度以創新之發明 與設計來促成世界進步，以使環境、經濟和人類社會得以同時永續發展。因此許多國家 國際性組織和學會都積極規劃與推動相關的研究、發展及宣導活動。與「永續發展」關係 極度密切的「化學」自不例外。許多先進國家的化學和化工界實早已推動了不少有關的基 礎研究和工業應用，有些國家且褒獎在與永續發展相關研究有成之科學家。例如美國自 1995 年起，每年由總統頒給「永續化學獎」（Green Chemistry Award）若干，學術研究 一項，2000 年即由中央研究院旅美院士翁啟惠教授因利用酵素（酶）在合成化學上之 卓越貢獻而獲獎。

十 二 原 則

依據1998 年國際經濟合作及發展組織（OECD）主辦之「永續化學研習會」所下「永 續化學」的定義是：「發明、設計和利用化學產品與化學製程，以減少或消除有害物質之

使用與生產。」也可說是藉化學之功能，促成人類的永續發展。

前此不久，美國環保署（EPA）的 Paul T. Anastas 博士和波士頓麻州大學的 John C.

Warner 教授也在所著 Green Chemistry: Theory and Practice (Oxford University Press, 1998) 中列出「永續化學」的十二個原則，現已為化學界普遍接受。茲列之於下：

一、 事先防止產生廢棄物勝於事後清除。

二、 設計合成方法時應盡可能將所有反應物質轉變為生成物。

三、 只要實際可行，製程採用之原料及預期之生成物應盡可能無害於人類健 康與環境。

四、 設計毒害性盡量減低但保持有效功能的化學產品。

五、 溶劑、分離試劑等輔助品須盡可能採用無毒害性的，而且最好不用。

六、 利用能量時須考慮對環境及經濟的影響，最好採用常溫常壓下的反應。

七、 只要技術可行並符合經濟效益，應使用再生原料。

八、 盡可能避免製造原非必要之衍生物。

九、 優先考慮以觸媒性、且選擇性盡量高的試劑進行反應。

十、 化學產品必須於用完後可以分解成無毒害性物質，而不致永留世間。

十一、 發展能在製程中隨時偵測及控制之分析方法以提高產率和減少產生廢棄物 十二、 選用本質安全之化學品為原料（反應物），使化學製程之危險性降至最低。

其中多數的含義相當明顯，無庸多言。但另一些似有詳述其義的必要。如：

第二項，即應力求利用反應物質原子之最大經濟效益。這相當於前此美國Barry M.

Trost 教授所倡之「原子經濟觀」（atom economy）或荷蘭 Roger A. Shelton 教授所說的

「原子效率」（atom efficiency），其值為（期待產物分子量總和）/（反應物分子量總 和）。例如不用其他試劑的「重排反應」（rearrangement）（例 1）及只使用觸媒

（catalyst）的「加成反應」（addition）（例 2），原子效率均為 100﹪；但是「取代反 應」（substitution）（例 3）和「消去反應」（elimination）（例 4）都小於 100﹪。

例1、

O CH₂

OH

CH₂ CH CH₂ CH CH₂

分子量 134.178 分子量 134.178 原子效率 100%

例2、

CH₃ C CH + CO + CH₃OH Pd (IJ´C )

CH₂ C CH₃

C O

O CH₃

分子量總和 100.117 分子量總和 100.117 原子效率 100%

3、

C₂H₅COOC₂H₅ + CH3NH₂ C₂H₅CONHCH₃ + C2H₅OH

分子量總和 133.189 分子量 87.120 原子效率 65.41%

例4、

CH₃CH₂ CH₂ CH₂N(CH+ ₃)₃OH_

CH₃ CH₂CH CH₂ + N(CH₃)₃ + H₂O

分子量 134.240 分子量 62.188 原子效率 46.32%

第八項，乃指傳統有機化學中常利用的一些方法。如將分子裏某官能基暫時保護以增加 反應的選擇性（例5），或暫時引入某基團以便於分離（例 6）或因而改變了反應之方 位特定性（regiospecificity）（例 7）。然所得到的乃一衍生物，最後仍須將原無之基團 除去。故若非必須，盡可能避免製衍生物。

例5、

O

COOCH₃ HO

OH O O

COOCH₃ O O

CH₂OH LiAlH₄

O

CH₂OH H⁺

例6、

CH₃CH₂CH₂CH₂CH CH₂

CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂CH₃

CH₃CH₂CH₂CH₂CH CH₂ Br Br CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂CH₃

CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂CH₃ CH₃CH₂CH₂CH₂CH CH₂

Br Br

CH₃CH₂CH₂CH₂CH CH₂

ZnBr₂ +

Br₂

¤À ÃH

Zn

例7、

OH

¿@H2SO4

OH

SO₃H

Br₂

OH

SO₃H Br

µ}H₂SO₄

OH Br

發 展 重 點

國際純粹及應用化學會（IUPAC）與 OECD 於 1999 年六月在巴黎的聯合會議擬定

「永續化學計畫」（Sustainable Chemistry Project）的五個優先推展項目：

一、永續化學的研究與發展

二、獎勵與表彰在永續化學之成就 三、有關永續化學資訊之交流

四、引導與支持相關永續化學之各類活動 五、永續化學之教育

其中有關第一項「研究與發展」部分包括以下各點：

1.改用可再生且對人類健康及環境毒性均低之原料 2. 採用本質無害及觸媒性試劑

3. 使用生物合成方法、酵素觸媒反應以及生物技術方法改進效率與選擇行

4. 改用對環境少害之溶劑代替目前常用的揮發性溶劑、含氯溶劑或能損害環境之溶劑 5. 從分子結構，毒性原理及作用機理來設計更安全的化學產品

6. 改良反應條件以增加主產物之產率和簡化甚至免除分離過程

7. 設計可減少必需能量之化學反應製程，並可因而降低過度使用能源對環境之衝擊

到了2000 年十月，在日本東京由 OECD 舉辦的「永續化學研習會」裏又歸納永續性 產品與製程的三個大原則，即

一、 使用可反覆利用或可再生的原料

二、 增加能量效益，或減少能量消耗但不降低產率

三、 避免不能分解、具生物累積性（bioaccumulative）及有毒物質 由此看來，傳統的化學製程實有極多可發展之處，有待大家努力以赴。

結 語

以往化學家創造了大批「新」物質，對人類及自然環境有益有害。是以除去既存的有害 物及不再製造有害物乃當今化學家之「責任」。而且，按照上述眾多原則與發展重點，無 論基礎研究、實際應用、學校及社會教育、甚至國家政策等各方面，「化學」都還有很大 的發展空間。也就是說，「永續化學」是新世紀研究發展應循之途，且方在萌芽。故在

「永續發展」這一全球共同追求的目標引導下，正是當今化學家一顯身手、大展鴻圖的好

「機會」。千萬別錯過了！

【載《科學月刊》33 卷一期 38-42 頁，2002 年一月】