从概念到产业：绿色化学的征程和未来

2019.11.15

majiushuo

致力于为分析测试行业奉献终身

　　日前，首届绿色与可持续发展化学国际会议在北京召开。绿色化学的先驱者Paul Anastas博士和领军人物如佟振合院士、Klaus Kümmerer、李朝军、Shu Kobayashi、张锁江、赵宇亮、韩布兴、James Clark等绿色化学领域的“big names”齐聚一堂，共同讨论绿色化学和可持续化学的理念升级、前沿技术、当下任务和发展前景。过去未去，未来已来。绿色化学曾如何履行其历史使命从概念发展到产业？如今正在哪些领域进行怎样的技术探索？又将如何为人类开创一个绿色、干净的未来？本文将就此分析。

　　历经60年从概念发展为体系

　　上世纪90年代，在30多个寂静的春天后，人类终于开始正视化学工业引发的环境污染。“可持续发展”和“绿色化学“的概念先后诞生，并迅速被全球多数国家纳入重大发展战略，由政府率领，绿色化学踏上发展之路。

时间/年	发展历程
1962	《寂静的春天》为化学行业引发环境污染敲响警钟
1987	联合国发布“Our Common Future”报告提出“可持续发展”概念
1992	巴西里约举行的联合国环境与发展大会，“可持续发展“概念受到百余国家认同
1990	美国通过污染预防法，出现绿色化学理念的雏形
1991	美国EPA建立绿色化学规划，提出“绿色化学“概念
1998	Paul T. Anastas和John C. Warner提出了绿色化学的12条原则

表1：绿色化学和可持续发展概念诞生

　　从理念到实现，长路漫漫。多国政府与产学研各界通力合作，逐步确立了绿色化学的12条原则、原子经济性、绿色化学5R等原则。以此为根基，绿色技术进入萌芽期。学术界和工业界共同作为主力军，立足多个应用领域探索绿色化学技术。

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　　又是近30年过去。绿色化学体系已经初步形成。除了治理污染的原始使命，绿色体系中还纳入了社会、政策、经济等多重元素。化学作为核心科技，沿着传统化学--绿色化学--循环经济化学--可持续性化学的轨迹进阶[1]，与化工、医药、农业、材料、建筑等多个学科交叉发展，在某些领域，已经突破了技术层面，跃至功能服务层面。

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图1：传统化学-绿色化学-循环经济化学-可持续性化学[1]

图片来源：K. Kümmerer, 1st International Green and Sustainable Chemistry Conference，2019.10.17

　　四类源头创新衍生出绿色化学技术体系，驱动七个主要应用领域发展

　　从技术链角度看，绿色化学的源头创新技术集聚为四类——催化体系、反应和工艺、绿色产品和光电化学。四类技术经过发散、融合，形成绿色化学技术网络。目前很多技术已经拓展到应用领域，从技术研究转为技术服务，主要服务领域有绿色反应、绿色产品、清洁合成工艺、可再生资源转化、新能源利用和污染物废弃物处理。

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表3: 4种源头技术创新和7个主要应用领域

　　催化体系不断改进和完善，从传统的化学催化，丰富扩展为化学、生物和联合催化三种有力手段。其中，化学催化以提高催化剂的效率、扩大底物适用范围和降低使用成本为目标，围绕C-C、C-X化学键构建，向有机催化剂和非贵金属催化剂的方向发展。相比于化学催化，生物酶催化剂凭借高效、安全、低能耗的天然优势而备受青睐。但受限于可利用的酶种类和工作环境，商业化生产用的酶催化剂仅有约20种，占酶制剂总市场的5％，还有很大的成长空间[2]。

　　除了单独优化某种催化剂的功能，联合催化提供了另外一种有效绿色手段。联合催化是搭配利用多种催化剂的优势，综合作用来实现高效率的催化效果。例如过渡金属/酶催化体系，过渡金属/过渡金属催化体系和过渡金属/有机催化体系。除了化学和酶，微波、光和电等元素也越来越多地被纳入联合催化体系。

　　催化体系的进步为合成路线绿色化做出了巨大贡献。例如抗糖尿病药物西他列汀的合成工艺原本包括一个烯胺不对称加氢催化步骤，该步反应安全性低、空间立体选择性差，且需要后续结晶纯化步骤。为了解决这一问题，默沙东和Codexis公司改进了转氨酶的活性和选择性，通过酶催化实现了由酮直接合成R构型的胺。从而避免了高压氢化，不必使用钌和铁等金属催化剂，也不必有后续的手性纯化步骤。将酶催化引入合成工艺中，现有设备的生产能力提高了56%，反应效率提高10-13%，还从总体上降低了19%的废物产生[3]。

　　意识到生物合成反应条件温和和高效率的优势，科学家开始大力探索生物合成工具。在实际应用中，合成化学和合成生物学协同作用，优势互补，共同促使绿色化学技术创造更大的经济效益。

　　反应和工艺从生产过程和溶剂两方面综合发展，面向清洁生产转型。为了降低能耗和三废，科学家正在着力探索清洁生产工艺，相关的基础研究包括连续反应，使用绿色溶剂的反应，以及不用/少用溶剂的机械反应。现阶段，连续反应技术已经在医药原料药生产中成功应用，相比传统的批次反应模式，具有明显的环保和安全优势，且能缩短生产时间。

　　在制药企业的先驱引领下，连续化学已经进入早期工业应用阶段。近年全球医药企业巨头纷纷建立连续流技术中心，从反应原料到药物制剂的end-to-end全连续过程已经能够实现。连续制造生产的药物，Vertex公司的Orkambi和Janssen公司的Prezista，已经获得了FDA的认可，且该连续生产技术备受FDA推崇。据药企GSK介绍，其在新加坡建立的连续反应中心能够减少50%的碳足迹、节约50%的成本，未来该公司1/3~1/2的药物可能转移至连续生产[4]。意义更大的是，连续反应技术将绿色化和智能化结为一体，加快工业4.0的步伐，这种高效清洁智能的生产方式将给医药和其他化工领域带来格局上的巨大改变。

　　另一方面，为了减少溶剂带来的VOCs污染，绿色溶剂的选用备受关注。美国化学会绿色化学协会提出了多种评估指标，并发布了溶剂选择指南，以实践绿色溶剂理念。

　　水是绿色溶剂的第一选择，水相反应是绿色化学的重要研究领域。李朝军教授开创性地发展了水相催化的有机反应，为传统上只能在惰性气体和有机溶剂中进行的有机合成反应开辟了一个崭新的领域。经过数载研究，已报道的水相有机反应种类繁多，其多样性与传统有机反应相当，并且其反应性能发挥出独特的优势，表现出令人惊讶的结果。例如加速加成反应，使用通常认为特别怕水的格氏试剂在水中开展烷基化反应，反应不仅能顺利进行，而且时间短至5秒。再者，借鉴天然膜封装原理，表面活性剂介导的水相反应成功兼容了Pd催化联芳基偶联等疏水反应，并且凭借反应媒介中的区域聚集效果，让反应更容易进行和分离[5]。

　　如上所述，除了作为反应媒介，绿色溶剂还有助于反应分离工艺清洁化，从而进一步降低废液产生。为了彻底解决溶剂消耗，科学家也在尝试开发不用或少用溶剂的机械反应，但该类反应的适用规模过小，目前暂无商业应用价值。

　　绿色产品秉承环境友好原则，致力于低毒、低污染和可降解。多个国家以设置国家级奖项的方式，鼓励绿色产品设计和开发，实现高污染产品替代。其中设立最早、最为权威的是美国绿色化学挑战奖，本文选取该奖做参考，分析绿色产品的发展情况。

　　该奖项从1996年至今已经连续开展23届，根据领域分析，绿色化学产品主要集中在农药和材料领域，占比分别为39%和34%，此外绿色产品还涉及到化工、造纸、影像领域。产品类型包括农药、材料、试剂和环境评价系统等。

　　早期绿色产品设计聚焦于低毒的主题，实现路径包括重金属替代、易降解和生物选择性。例如Rightfit偶氮颜料使用钙、锶、钡元素替代铅、铬、镉，阳离子电镀技术使用钇元素替代铅，避免了重金属对环境和人体健康的危害；“海洋9”船舶防垢剂能够被海底微生物降解，替代了毒性高、难降解的有机锡类化合物；而高度的靶标物种选择性，则让IGR昆虫生长调节剂成为美国EPA登录的第一个无公害杀虫剂，也让低毒的蔬菜杀虫剂Spinosad于1999年获奖之后，又被投入构效关系研究和缓释制剂技术，先后衍生出适用果树和水环境的两款后续产品，实现了三度获奖。

　　随着绿化化学概念升级，绿色产品设计思想逐步扩展到降低空气污染和可循环发展。针对空气污染的问题，生物基醇、酯等化学品能同时满足可再生和低VOCs目标，因此成为重要的绿色原料，以此开发出的代表性绿色产品有醇酸油漆、聚氨酯泡沫、乳胶聚结剂、绝缘流体等。针对回收循环的问题，从源头材料设计到废弃物降解再到回收循环工艺，多个环节的研究均已有绿色成果出现。例如由温室气体制造塑料材料，不含卤素的泡沫灭火剂和地毡，以及提高纸张再生工艺效率的生物酶。

　　光化学和电化学围绕能量传递、储存和利用发展，不断开发高性能材料和催化剂。针对化石能源耗竭的危机，光化学和电化学能够实现光能、热能、化学能之间的转化和存储，从而成为开发新能源的有力手段。其主要产品是太阳能电池和燃料电池，均已形成产业，在新能源汽车等多个领域应用。燃料电池领域的研究热点是改良催化剂和交换膜等关键材料，以提高电池寿命和降低成本；太阳能电池领域的研究热点是半导体、钙钛矿等高效率低成本的材料开发和应用。

　　另外，光能凭借光催化技术可以直接转化为化学能，从而驱动化学键的断裂与生成，实现化学物质的合成和降解，在污染物降解、水分解产氢、二氧化碳和氮气还原等领域有潜在应用价值，且已经在自清洁玻璃涂料、污水处理和非洲抗疟灭蚊等领域实现应用。目前光催化技术的研究热点是高性能催化体系的开发。

　　基于对光催化降解有机污染物的扎实研究，中科院化学所赵进才院士团队研制了光催化水净化反应的设备。据报道，该设备安装在内蒙古巴林右旗地区，解决了农牧民饮用水氟含量超标的难题，直接受益人达1779人[6]。该课题组还与企业合作建立了光催化水净化工程技术研究中心，直接连接了企业的废水管道，设计工业废水处理量达到100吨/日。

　　从目前的研究热点领域看绿色化学的未来

　　检索绿色化学权威期刊《Green Chemistry》近两年的热点文章，发现生物质转化研究热度高涨，2019年热点论文数量占比高达47%，超越催化体系研究，成为绿色化学的第一研究热点。

　　生物质是存量丰富且可再生的有机碳来源，但是由于难以利用常常被废弃。因此，生物质转化的核心意义是“赋值“，即将无利用价值的生物质转化为有利用价值的生物基产品。经过多年研究，将生物质转化为生物油等低价值产品的技术已经比较成熟，生物基化学品也正在逐步取代石油基化学品。据世界经济合作与发展组织预计，到2025年，全球生物基化学品的产值将超过5000亿美元/年，约占全部化学品的25%[7]。

　　目前科学研究正在致力于将生物质转化为更多类型的高值化学产品，热点转化路径是生物质-平台化合物-高值产品。最受关注的是来源于植物的木质纤维素和来源于甲壳动物的甲壳素，它们的平台分子正在以更高的效率转化为结构骨架更丰富的精细化工原料。其中，木质素生物质提供芳香苯环结构，甲壳素生物质提供脂肪烃链结构，从化学结构信息方面看，生物基未来有望大幅度替代石油基化学品的市场。在TOP10生物基平台化合物[8]中，呋喃醛类和乙酰丙酸类平台化合物研究热度较高。

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表4：TOP10生物基平台化合物

　　化学学科深厚的奠基为生物质转化提供了有力的化学工具，催化体系和绿色溶剂已经深入地渗透到生物质转化研究，并且达到了明显的助力效果。例如，使用离子液体从海鲜废弃物中提取、分离甲壳素，在大规模生产中实现零排放。同时，生物工具也在生物资源利用中发挥了重要的作用。一方面，生物基替代石油基，提供可持续性的化学原料，另一方面，生物发酵和生物酶催化作为化学手段的补充或替代，显著提升了生产效率。在美国绿色化学挑战奖中，由上述生物技术驱动的合成路径占比39%。

　　生物质转化受益于绿色溶剂，同时也反馈给绿色溶剂。很多平台化合物被开发为绿色溶剂，例如2-甲基呋喃、2，4-二甲基呋喃等。近两年，木质素的平台化合物左旋葡萄糖酮被转化为绿色溶剂Cyrene，能够替代NMP和DMF等有机溶剂，而不引入有争议的酰胺结构。作为石墨烯溶液，其分散性能超过了NMP，大大降低了石墨烯油墨的成本。由于其性能卓越且绿色安全，Cyrene被授予了欧洲生物基创新奖。

　　除了生物质资源，另一种可循环资源二氧化碳的相关化学转化同样被科学家认为有环保和资源开发的双重价值，研究热度颇高，目前二氧化碳已经被用于生产新型塑料等产品，其应用价值还在不断被开发拓展。此外，非食用油、水果垃圾等废弃物也吸引了科学家的转化兴趣。

　　实际上，随着绿色化学理念扩展到可持续化学，将废弃物资源化成为了日益重要的议题。以全球视角看，新兴废弃物电子垃圾的资源化问题非常尖锐。电子垃圾增速飞快，到2021年全球产量预计将达到5000吨/年，而循环利用率不超过20%，更值得注意的是，中国是全球电子垃圾的主要转移地，种种情况逼迫我们尽快建立电子垃圾资源循环体系[9]。以格林美为代表的国内电子垃圾回收企业拥有从电子垃圾中回收金属的全球领先ZL技术，但是目前电子垃圾的其他部分尚无有效循环体系，日积月累带来严重的环境污染，亟待绿色化学技术入驻。

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图2：全球电子垃圾的年产量（左），全球电子垃圾的转移路径（右）。

图片来源：Emily Hsu, Katayun Barmak, Alan C. West, Ah-Hyung A. Park, Green Chemistry, 2019, 21: 919-936

　　展望

　　唯有将科学技术与社会经济、政治文化、道德伦理共同发展，人类才能收获一个可持续的未来。而绿色化学，正是提供可持续性技术的基石。虽然很多人认为绿色化学还只是概念，但实际上，绿色化学早已迈进产业化阶段，多种绿色技术正在影响和改变着我们的生活——绿色化学正在不负众望地履行它的伟大使命。

　　在过去的几年，我国化学化工相关产业从东到西渐次式的开启结构升级，拥有高质量的绿色技术成为企业抢占行业制高点的关键。同时，人们的环保和健康意识不断增强，新能源、污染物降解等绿色化学新兴行业，逐步融入到日常消费中。在这样的政策和经济环境中，绿色化学将收获更大的发展。

　　路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。

　　参考文献:

　　[1] K. Kümmerer, 1st International Green and Sustainable Chemistry Conference, Chinese Chemical Society, 2019, October

　　[2] 药渡: https://mp.weixin.qq.com/s/dhmV5vcUG33NlHhs3zkWxQ

　　[3] 刘长虹, 吴树新, 曹文华, 现代化工, 2010, 30, 7：86-89

　　[4] Luke Rogers, Klavs F. Jensen, Green Chemistry, 2019, 13, 21: 3481-3498