作者 | 郑南峰
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今天的主题是：怎么用一些好的材料让我们的化工更绿色？
大家觉的化妆品、日用品、医药、染料在生活中离得开吗？当然离不开。如果离开了这些东西，今天的座位就没那么舒服了，我们的世界也不可能有那么多色彩，但是一旦想到这些东西，大家马上就会忐忑，因为它们都是“化工”产品，这就是我们今天要讲的“化工”。“化工”会产生污染，比如固体废弃物、水污染和雾霾，大家想到这些就会反感。
其实通过技术的进步，我们是可以解决这些问题的。
我们不应该把能改进自身生活水平的东西排斥在外，否则我们的生活水平就会倒退很多年。其实，不仅仅搞金融的有经济、搞产业的有经济，搞化学的也有经济，这就是原子经济性。下图是一个含有A、B、C三个组分的化合物，我们最希望是A和BC化合物反应，就得到了ABC。这样所有的原子都用上了，是百分之百的原子经济性。可是很遗憾地告诉大家，现实中我们做不到，为了得到ABC，通常需要把BC组分通过一个D组分活化，活化后才能做出ABC。可是这个D成了什么？很有可能就成为副产物、成为污染物。我们化学家的梦想，就是希望能够把副产物消除掉。
催化剂：合成氨
我今天主要给大家讲含有氮元素的化合物。含氮化合物，我们真的离不开它，80% FDA批准的药物含有氮原子，还有很多灯，比如夜景工程的LED氮化镓，以及化肥、农药都含氮。自然界里面，有非常漂亮的固氮过程，雷声一响，氮气就变成了氮氧化合物进入我们的生活了——自然界里有根瘤菌，可以帮我们把空气中的氮气变成氨，然后慢慢进入整个食物链。在一些动物的生命结束之后，自然界又用很多细菌把它代谢掉，氮就可以循环起来，这是在非常低的温度下实现的。
在上个世纪，有一个非常漂亮的固氮酶体系，可以进行人工固氮，其中最关键的在于它能对空气中的氮气进行转化。我刚才给大家展示的含氮化合物的材料，那些氮元素其实都是从氮气来的，可是氮气是非常惰性的物质，必须要把它活化才能发生反应。所以人工固氮体系，就是利用氢气，和活化的氮气分子结合，最后得到氨。如何活化氮气分子呢？如果把压力、温度提高，这些分子碰撞的概率就非常大，可是氮气还是氮气，没办法把它活化掉。那么为什么上个世纪我们能够发展出这样一个固氮酶体系？最主要的就是我们有了催化剂的帮助。
有了催化剂，就把氮气的原子扯开了、氢气的原子扯开了，这时候它就可以开始反应了，这就是催化剂的魔力。比如，珠穆朗玛峰估计没几个人能爬过去，这就好比合成氨反应具有非常高的能垒（很难翻越），可是如果我在珠穆朗玛峰的半山腰开一些山路，是不是可以跨过珠穆朗玛峰？催化剂可以把非常惰性的物质活化，活化之后它就可以把能垒降低，反应就可以在比较温和的条件下实现。
事实上合成氨催化剂的研究，一共获得三次诺贝尔奖，它解决的不仅仅是我们吃饭的问题。合成氨只是人工固氮循环的开始，大家知道氨里面有氢，把氢去掉再引入一些氧，就得到硝酸。有了硝酸，我们就可以做很多事情。大家看下图中的反应，这个六元环是个苯环，我可以通过硝酸在苯环上引入硝基，再通过还原的办法把硝基上面的氧去掉，变成氨基，但这里每一步都需要催化剂。
传统催化剂
我们每个人基本上都会用到扑热息痛，扑热息痛的生产过程中有一步就是要把硝基变成氨基，在最早期的生产工艺里，大家用的是铁粉，铁是廉价的，我可以利用铁粉把硝基里面的氧拿出来，再把氢放进去。可是通过这种工艺生产一吨扑热息痛的中间体，会产生六吨铁泥（固废）。在2011年的时候，国家发改委出台了一个文件，说要淘汰这些生产工艺。其实铁在这里扮演着还原剂的角色，为的是把氧夺走，最绿色的办法，是用氢气把氧夺走，这样它唯有的产物就是水。在这个过程当中，我们就需要用到新型催化剂。
在催化剂应用过程中，还需要解决选择性问题。在座各位应该对响水爆炸事件多少有些耳闻，这个事件是新中国成立以来最大的化工爆炸事件。其实它做的就是间二苯胺，是通过间二硝基苯还原得到的，间二硝基苯如果再接一个硝基，那就是TNT炸药了。大家可能会觉得非常简单，不就是把两个硝基变成两个氨基吗？可是我很遗憾的告诉大家，真的挺难的。
这两个硝基需要同时变成氨基，可是有时候会只变一个，而且有时候不会直接变成氨基，还容易变成羟胺。这会有什么问题呢？如果只有一个氢化，它可能马上跟另外一个分子反应，产生焦油。大家在朋友圈可能经常看到，说哪里的固废发生了着火，其实就是因为产生了大量副产物，囤放在企业里面，固废里如果有一些硝基，是很容易爆炸、很容易起火的。当然这个事件的原因，我们现在还没有办法完全知道，但是多少是跟这个有关的。
这起爆炸事件，现在产生的后果还是蛮严重的，很多化工园区被关掉了。与此同时，产品价格攀升，为什么？因为我们每一天的生活都离不开它。这些产品都是我们中国非常有特色的，比如做一些高性能的纤维必须要用到的，没有这些东西整个工业链条都是断的。所以其实我们真正要做的是通过技术的进步，来推动整个产业的发展。
三大新型催化剂
催化剂有三大催化剂，刚才提到的生物固氮体系，其实就是生物酶体系。
除此之外，人工催化体系中，有一个叫均相催化剂，现在用的最多的是氢甲酰化的均相催化剂。它做什么事情呢？这里有一个碳链，我可以让这个碳链上面再增加一个碳链，因为它靠这个中心，可以把一氧化碳、氢气活化，而一氧化碳上面有一个碳，它就可以往这个链上一直加。这是目前做的最多的均相催化反应，生物体系里面当然也很多。
无论是生物酶催化还是均相催化，这些催化剂看上去都挺漂亮的，它的结构都完全确定，所以反应都是量身定做的。而且这个体系的好处就是，反应物（下图：蓝色颗粒）和催化剂（红色颗粒）在溶液中可以非常好地混合在一起，所以活性很高，而且指哪打哪。可是工业界不喜欢它，因为它溶解在水里，不能捞出来再用，即便捞出来，也要浪费很多能量。所以从赚钱的角度，他们不喜欢生物酶和均相催化，而会选择多相催化剂，也就是催化中心在固体上面，这样反应完了之后，很容易就从体系里面捞出来。
