2020年1月，耶魯大學(xué)綠色化學(xué)與綠色工程中心副主任朱莉 · 齊默爾曼

（Julie B. Zimmerman）教授、綠色化學(xué)之父保羅·阿納斯塔斯（Paul T. Anastas） 、耶魯大學(xué)副教授漢諾·雷克波爾（Hanno C. Erythropel）和原《綠色化學(xué)》期刊主編沃爾特·萊特納（Walter Leitner）在《科學(xué)》上發(fā)表了他們共同撰寫的綜述“綠色化學(xué)未來的藍(lán)圖”

（

Designing for a green chemistry future

）

。

在2020年初，這個(gè)對(duì)人類仿佛具有轉(zhuǎn)折意義的數(shù)字年份，以“綠色化學(xué)未來的藍(lán)圖”為題，深刻地描述對(duì)可持續(xù)發(fā)展綠色化學(xué)的構(gòu)思與建議，并提出綠色化學(xué)的十二項(xiàng)原則，不得不說是具有深意的。

——華東師范大學(xué)姜雪峰教授薦讀

在可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)中，物質(zhì)基礎(chǔ)很大程度上取決于化工產(chǎn)品及其生產(chǎn)工藝，這些產(chǎn)品和工藝的設(shè)計(jì)遵循“有利于人們生活”的原則。可以從最早的階段（即設(shè)計(jì)階段）就開始考慮分子的固有特性，進(jìn)而解決產(chǎn)品及其工藝重復(fù)性、危險(xiǎn)性及穩(wěn)定性等問題。未來的化工產(chǎn)品、原料以及制造過程需要將綠色化學(xué)和綠色工程融合到可持續(xù)發(fā)展的理念中。這一轉(zhuǎn)變需要先進(jìn)的科技與創(chuàng)新，以及從微觀分子層面開始并在全球范圍內(nèi)產(chǎn)生積極影響的系統(tǒng)思維和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

在為未來的地球進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，化學(xué)領(lǐng)域所面臨的科學(xué)問題不再是化工產(chǎn)品是否必需，而是一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)需要什么樣的化工產(chǎn)品的特性和生產(chǎn)工藝？

化學(xué)具有悠久的歷史，創(chuàng)制了很多重要的高品質(zhì)產(chǎn)品和工藝。當(dāng)前的化工產(chǎn)業(yè)是一條依賴于原料的生產(chǎn)鏈，其原料主要是自然界中有限的化石資源。這些反應(yīng)物通常反應(yīng)活性較高且伴有毒性，時(shí)常會(huì)因?yàn)橐馔庑孤瑢?dǎo)致工人中毒事件發(fā)生（如異氰酸甲酯在印度博帕爾發(fā)生泄漏；二噁英在美國(guó)密蘇里州的時(shí)代海灘和意大利的塞韋索發(fā)生泄漏）。

同時(shí)，大部分生產(chǎn)工藝產(chǎn)生的廢物（通常具有毒性、持久性和生物積累性）比例甚至高于預(yù)期產(chǎn)品，特別是在產(chǎn)品復(fù)雜性增加的情況下（例如，特殊化學(xué)品產(chǎn)生的廢物是預(yù)計(jì)產(chǎn)品的5~50倍，而藥品是25~100倍）。

目標(biāo)化工產(chǎn)品通常是按預(yù)期用途設(shè)計(jì)，通過控制生產(chǎn)環(huán)境來降低泄漏可能造成的危害，而這些危害又往往沒有進(jìn)行過評(píng)估，這可能是由于長(zhǎng)久以來缺乏相應(yīng)的工具和模型，這一點(diǎn)可以從眾多意外的發(fā)生中得到證明。

鑒于化工產(chǎn)品不斷地為社會(huì)提供諸多便利，因此未來化工產(chǎn)品的設(shè)計(jì)必須包含兩個(gè)目標(biāo)：

一是如何保持并改善性能，

二是如何限制或消除威脅人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的有害影響。

回答以上問題是一項(xiàng)嚴(yán)峻的科學(xué)挑戰(zhàn)。

在綠色化學(xué)和綠色工程領(lǐng)域取得的大量科學(xué)成果表明，化工產(chǎn)品和生產(chǎn)工藝在實(shí)現(xiàn)更多功能的同時(shí)，是可以降低對(duì)人類社會(huì)的不利影響的。這些成功不是道聽途說，而是需要通過系統(tǒng)的思維體系來實(shí)現(xiàn)。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，不僅需要改變生產(chǎn)和使用化工產(chǎn)品的條件和環(huán)境，而且還需要改變從原料到應(yīng)用的整個(gè)價(jià)值鏈中化工產(chǎn)品和試劑本身的固有特性。這就需要將“性能”的定義從“功能”轉(zhuǎn)變?yōu)椤肮δ芎涂沙掷m(xù)性”，這一目標(biāo)只有通過掌握分子的固有特性及其變化并加以設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)。

要在綜合的體系框架中進(jìn)行設(shè)計(jì)和創(chuàng)新

在復(fù)雜體系中采用傳統(tǒng)的簡(jiǎn)化方法追求可持續(xù)性的改進(jìn)設(shè)計(jì)是非常具有挑戰(zhàn)性的。

在化工行業(yè)，簡(jiǎn)化論者僅對(duì)功能的關(guān)注雖然在一定程度上可以延長(zhǎng)化工產(chǎn)品的壽命，但其壽命結(jié)束后仍有可能存在于水中，被未獲得保護(hù)的人群接觸到；

農(nóng)業(yè)化工產(chǎn)品，能增加農(nóng)作物產(chǎn)量，卻導(dǎo)致魚類死亡和地下水水質(zhì)退化；

化學(xué)物質(zhì)使材料經(jīng)久耐用，卻也在我們的身體和生物鏈中累積。

盡管已經(jīng)有許多簡(jiǎn)化方法失敗的案例，我們依然時(shí)常使用該框架來應(yīng)對(duì)可持續(xù)性的挑戰(zhàn)，僅僅專注于獨(dú)立的個(gè)別指標(biāo)（如溫室氣體排放、能源或淡水消耗），而不是把可持續(xù)性作為一種綜合性、體系性的多維問題。

目前，化工行業(yè)中諸多可持續(xù)發(fā)展工作的重點(diǎn)是通過提高效率來逐步改善產(chǎn)品和工藝，但這種方法是不完善的。相反，我們需要進(jìn)行顛覆式的變革來應(yīng)對(duì)未來可持續(xù)社會(huì)的需求。

這就要從整體統(tǒng)籌后提出解決方案，以確保不會(huì)產(chǎn)生偏差或意外。因此，傳統(tǒng)的簡(jiǎn)化方法必須與綜合的體系性思維相結(jié)合，才能為未來可持續(xù)社會(huì)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

例如，了解分子性能只是一個(gè)最低要求，還需要了解這種分子的潛在危害。解決單一問題的方式可能會(huì)帶來其他挑戰(zhàn)（例如，使用生物燃料可能會(huì)增加土地的使用壓力和糧食的競(jìng)爭(zhēng)）。

現(xiàn)在有了所謂的“協(xié)同解決方案”，即協(xié)同推進(jìn)多種可持續(xù)性問題的解決方案。

例如，地球上有一種含量豐富的金屬催化劑，它可以利用陽光分解水產(chǎn)生氫氣，實(shí)現(xiàn)能量?jī)?chǔ)存，又可以在氫氣燃燒后產(chǎn)生水用于能量的回收。

另一個(gè)例子是設(shè)計(jì)一種以“碳中性”方式生產(chǎn)的未來燃料，可以同時(shí)達(dá)到減少空氣污染排放和提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率的雙重目的。

雖然有關(guān)串聯(lián)非線性問題的爭(zhēng)論仍在進(jìn)行（例如，增加化石能源的開采→更大的淡水使用壓力→難民遷移→社會(huì)動(dòng)蕩和軍事沖突），但通過“協(xié)同解決方案”的系統(tǒng)思考和設(shè)計(jì)有可能解決這些問題，“訥于言而敏于行”將創(chuàng)造事半功倍的效果（例如，利用二氧化碳將廢物轉(zhuǎn)化為原料→避免使用光氣等有毒試劑→減少二氧化碳排放→減緩二氧化碳上升水平→減緩全球氣候變化）。

將性能的定義從技術(shù)功能擴(kuò)展到可持續(xù)性功能

要實(shí)現(xiàn)化工產(chǎn)業(yè)的根本性變革，需要重新定義性能的概念。

由于商業(yè)合成化學(xué)是在19世紀(jì)中葉隨著珀金紫染料的引入而開始的，所以判斷化工產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)一直是性能。性能幾乎被完全定義為有效完成狹義功能的能力（例如，染料的顏色、膠水的粘力、殺蟲劑的殺蟲能力）。

然而，只關(guān)注單一功能會(huì)造成其他不希望出現(xiàn)的結(jié)果。我們必須擴(kuò)大對(duì)性能的定義，包括功能以外的所有方面，特別是可持續(xù)性。

這一擴(kuò)展的性能定義，要求工藝設(shè)計(jì)人員對(duì)化工產(chǎn)品不僅要了解技術(shù)功能的機(jī)理，還要了解這些物質(zhì)可能造成的危害。

這種對(duì)性能的擴(kuò)展定義隱含要求了任何設(shè)計(jì)、發(fā)明和打算制造化工產(chǎn)品的人必須了解產(chǎn)品相關(guān)危害的知識(shí)，它可能是全球性的、物理上的或毒理上的危害。

在經(jīng)歷了一個(gè)多世紀(jì)對(duì)人類健康和環(huán)境造成不良后果的事件或事故之后，我們?nèi)匀晃磳?strong>毒理學(xué)納入化學(xué)的培訓(xùn)課程之中。要如同考慮化學(xué)性能一樣考慮化學(xué)危害，就需要我們的教育中設(shè)置如同技術(shù)一樣的課程來擴(kuò)展功能的定義，使其包含可持續(xù)性的屬性。

性能的重新定義也直接影響化工產(chǎn)業(yè)的商業(yè)模式，因?yàn)閼?zhàn)略調(diào)整的一部分是減少所需材料的數(shù)量，從而減少對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的潛在危害。

“F因子”部分包含了最大化性能的概念，這個(gè)概念是實(shí)現(xiàn)功能最大化的同時(shí)使用最少的化學(xué)物質(zhì)，類似于現(xiàn)今摩爾定律在集成電路上的應(yīng)用。

材料用量最小化的理念是為了減少原料的使用、加工和運(yùn)輸中能源的消耗、廢棄物的產(chǎn)生、廢品的管理以及相應(yīng)的危害。

這種理念也可以應(yīng)用于其他業(yè)務(wù)，并將獲取利潤(rùn)的方式從銷售材料本身轉(zhuǎn)變?yōu)樘峁┫嚓P(guān)的周邊服務(wù)（如材料的上色、潤(rùn)滑或清潔），同時(shí)降低危害。

這種理念轉(zhuǎn)變符合聯(lián)合國(guó)工業(yè)發(fā)展組織對(duì)“化學(xué)品租賃”的重視，即出售化學(xué)品的功能，而不是數(shù)量。

這才能在降低材料生產(chǎn)成本、提升材料性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)最大化與可持續(xù)發(fā)展（圖1）。

圖1 綠色化學(xué)的十二項(xiàng)原則

未來化工產(chǎn)品的內(nèi)在屬性

未來化工產(chǎn)品的設(shè)計(jì)旨在減少甚至消除危險(xiǎn)的同時(shí)保持功能的有效性。

在這里，危害的定義是廣義的，包括物理危害（例如爆炸和腐蝕性）、全球性危害（如溫室氣體和臭氧消耗）、毒理危害（如致癌和內(nèi)分泌干擾）。

傳統(tǒng)應(yīng)對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品的方式通常是防止泄漏，如使用防護(hù)設(shè)備或廢氣凈化器；但當(dāng)防控機(jī)制失效時(shí)，結(jié)果可能是災(zāi)難性的。

而綠色化學(xué)的思路是將降低風(fēng)險(xiǎn)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到減少危害上。

值得注意的是，危險(xiǎn)性是化學(xué)品的固有屬性，也是設(shè)計(jì)選擇的結(jié)果。因此，有必要在深入理解分子作用機(jī)制后再設(shè)計(jì)化工產(chǎn)品和生產(chǎn)工藝，從而避免造成人類身心上的損害和對(duì)環(huán)境的破壞。

因此，對(duì)性能的擴(kuò)展定義應(yīng)包含化學(xué)品的功能及其固有性質(zhì)，包括它們?cè)诃h(huán)境中的可再生性、無毒性和可降解性。

可再生性

從化石化學(xué)到可再生化學(xué)的過渡必須在綜合的系統(tǒng)環(huán)境中進(jìn)行周密的設(shè)計(jì)，要考慮可能因土地轉(zhuǎn)化、用水或與食品生產(chǎn)競(jìng)爭(zhēng)等因素而引起的負(fù)面影響。

至關(guān)重要的是，使用良性工藝可實(shí)現(xiàn)向可再生原料的重要轉(zhuǎn)變，包括從線性工藝到循環(huán)工藝的轉(zhuǎn)變（圖1）。

因此，目前被認(rèn)為是低價(jià)值的材料必須作為未來的可再生原料來處理。利用低價(jià)值“廢物”的例子包括將造紙廠廢物中的木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)香蘭素的原料，以及在聚氨酯生產(chǎn)中直接使用二氧化碳實(shí)現(xiàn)部分取代石油基環(huán)氧丙烷，這都將大大減少碳排放，同時(shí)能改善其他環(huán)境參數(shù)。

化學(xué)家需要更加深入考慮“廢物設(shè)計(jì)”問題：如何調(diào)整合成路線，盡量避免副產(chǎn)物的處理，或者讓副產(chǎn)物可用作原料（圖1）。

無毒性

無毒化工產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需要通過化學(xué)、毒理學(xué)、基因組學(xué)和其他相關(guān)領(lǐng)域的合作來實(shí)現(xiàn)。有必要理解和研究潛在的分子機(jī)制，包括分子是如何在體內(nèi)分布、吸收、代謝和排泄的，以及溶解度、反應(yīng)性和細(xì)胞滲透性等物理化學(xué)特性如何影響這些過程。

對(duì)毒性進(jìn)行預(yù)測(cè)和建模的工作正在進(jìn)行中。然而，模型依賴于有限的可用毒性數(shù)據(jù)，目前美國(guó)和歐盟的一些項(xiàng)目正在收集這些數(shù)據(jù)。

可降解性

未來的化學(xué)物質(zhì)必須設(shè)計(jì)成易降解、不破壞環(huán)境的非持久性化合物。

例如，一種對(duì)哺乳動(dòng)物毒性非常低且可快速降解的殺蟲劑，是可以通過化學(xué)修飾的方法來改善其生物降解性的；部分可再生來源的琥珀酸基增塑劑可用于合成可快速降解的無毒聚氯乙烯（PVC）聚合物。

需要理解導(dǎo)致持久性的分子特征和環(huán)境機(jī)制，才能建立預(yù)測(cè)模型。例行評(píng)估合成化合物的潛在持久性對(duì)于最終可能分布于環(huán)境中的每個(gè)（新）設(shè)計(jì)的化合物都是至關(guān)重要的（如藥品和個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品）。

矛盾的是，考慮到化合物修飾、合成路線的能量消耗與分子復(fù)雜性時(shí)，穩(wěn)定性可能是理想的屬性。

一個(gè)重要的考慮是評(píng)估這種“投資”是否具有增值應(yīng)用，而不是簡(jiǎn)單追求降解途徑的設(shè)計(jì)（圖2）。

圖2 化工設(shè)計(jì)決策系統(tǒng)

對(duì)于來源可再生、高度復(fù)雜性的分子，而這些分子又不是天然化合物，就需要通過設(shè)計(jì)重復(fù)使用或循環(huán)路線將其重新融入價(jià)值鏈中；如果分子是天然化合物，無論其復(fù)雜性如何，都具有可降解性。

利用非化石原料重新設(shè)計(jì)化工價(jià)值鏈

如今的化工產(chǎn)業(yè)幾乎完全依賴石油、天然氣和煤作為碳的來源。出現(xiàn)在20世紀(jì)下半葉的石油化工價(jià)值鏈形成了一個(gè)高度集成的網(wǎng)絡(luò)，有時(shí)被稱為“石油樹”（圖3）。

圖3 在嵌入式能源、嵌入式材料（包括水）、廢物產(chǎn)生以及環(huán)境和經(jīng)濟(jì)成本方面，使用綠色的轉(zhuǎn)換方式和流程，體現(xiàn)出從化石資源向可再生資源轉(zhuǎn)化的優(yōu)勢(shì)

石化煉油廠生產(chǎn)的模塊不到12個(gè)，特別是短鏈烯烴和芳烴，與合成氣體一起成為石油樹的莖，這些莖又衍生出石油樹的樹干、樹枝和樹葉，最終形成100 000多種化學(xué)物質(zhì)，構(gòu)成了分子的多樣性。

石油化學(xué)的價(jià)值很大程度上來自于在分子中引入官能團(tuán)的合成方法。因此，原料的可用性和所需產(chǎn)品的功能對(duì)化工生產(chǎn)路線和工藝開發(fā)有著直接的反饋?zhàn)饔谩?/p>

合成方法的改進(jìn)無疑仍將是一個(gè)主要的研究領(lǐng)域，對(duì)環(huán)境具有最直接的影響。由于資源的枯竭、全球氣候的變化以及產(chǎn)生毒副產(chǎn)物等問題，石油不是一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的選擇。最終，基于非化石碳源和可再生資源的新價(jià)值鏈設(shè)計(jì)將為封閉的循環(huán)鋪平道路。這種形式的轉(zhuǎn)變，標(biāo)志著化學(xué)領(lǐng)域的下一次工業(yè)演變已經(jīng)開始（圖3）。

可再生碳資源的利用變得具有競(jìng)爭(zhēng)力，這需要重大的科學(xué)突破和創(chuàng)新，應(yīng)積極研究先進(jìn)的氫技術(shù)和電化學(xué)工藝來開發(fā)和利用能源。

在碳源中，木質(zhì)纖維素生物質(zhì)和二氧化碳是地球上最豐富的原料之一，其數(shù)量足以實(shí)現(xiàn)化學(xué)價(jià)值鏈的“去石油化”；再生塑料材料是循環(huán)經(jīng)濟(jì)框架下另一個(gè)潛在的豐富碳源。

與僅由碳?xì)錁?gòu)成的化石資源相比，這些原料由高度氧化和“過度功能化”的分子組成。因此，它們的轉(zhuǎn)變需要新的綜合理念和方法來實(shí)現(xiàn)。

應(yīng)對(duì)復(fù)雜性挑戰(zhàn)的一個(gè)選擇就是消除它。

例如，通過合成氣體中間體與費(fèi)托合成技術(shù)相結(jié)合，生產(chǎn)出石油替代品。

因此，幾乎所有非化石原料都可以將額外的“根”添加到石油樹中；然后，“綠色碳”通過現(xiàn)有的所有“樹枝”和“樹葉”傳遞。此法利用已建立的知識(shí)體系和基礎(chǔ)設(shè)施，重組了有價(jià)值的功能。

另一策略則是利用可再生原料固有的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)通往目標(biāo)官能團(tuán)分子的捷徑。

例如，在室溫下通過微生物發(fā)酵廢甘油或糖，在水中生產(chǎn)重要的化工產(chǎn)品（如1，3-丙二醇或琥珀酸），這個(gè)路線正日益與多步驟的石化路線相抗衡。

類似的方法也適用于二氧化碳，它可以通過現(xiàn)有化工產(chǎn)品整合到價(jià)值鏈中。

定制的化學(xué)品和生物催化劑可以適應(yīng)原料質(zhì)量的變化和能源供應(yīng)的波動(dòng)，以及高度集成和高能效凈化工藝的發(fā)展，將成為這一發(fā)展背后的重要科學(xué)動(dòng)力。

或許更有利的是，可再生原料提供了全新的化學(xué)模塊，可以推動(dòng)功能的改善，且不會(huì)對(duì)人類健康和環(huán)境造成歷史性的負(fù)面影響。

例如，最近單糖衍生合成的呋喃二甲酸（FDCA）引起了人們的興趣，它可能成為新型聚酯產(chǎn)品（如碳酸化液體容器）的基礎(chǔ)材料；將二氧化碳直接納入消費(fèi)產(chǎn)品的聚合物鏈已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。越來越多基于二氧化碳和氫氣與其他底物選擇性偶聯(lián)的新合成方法說明了它們?cè)诋a(chǎn)物合成后期構(gòu)建官能團(tuán)的巨大潛力。

在這一領(lǐng)域，顯而易見的是將分子和工程科學(xué)與產(chǎn)品性能進(jìn)行系統(tǒng)的整合，這將使能源和物質(zhì)在化學(xué)-能源關(guān)系上的統(tǒng)一成為可能，并為化學(xué)與農(nóng)業(yè)、鋼鐵、水泥等行業(yè)的耦合創(chuàng)造新的機(jī)會(huì)。

通過“反合成分析”解構(gòu)高度復(fù)雜的目標(biāo)分子，從而從現(xiàn)有的原料和合成方法中設(shè)計(jì)其合成，這是當(dāng)今合成有機(jī)化學(xué)的核心支柱。

同樣的概念思路可以轉(zhuǎn)化為一種新的設(shè)計(jì)框架，用于從可再生原料合成目標(biāo)產(chǎn)品。

結(jié)論

愛因斯坦有句名言：“問題不能在產(chǎn)生問題的同一意識(shí)水平上得到解決。”

我們需要的新工具、新方法包括：

掌握弱相互作用作為設(shè)計(jì)工具，正如我們已經(jīng)意識(shí)到的共價(jià)鍵一樣；

設(shè)計(jì)復(fù)雜而非理想態(tài)的混合物，而不是合成單個(gè)分子來實(shí)現(xiàn)某種功能；

在綜合的動(dòng)態(tài)現(xiàn)實(shí)中而不是簡(jiǎn)單的靜態(tài)快照中了解分子；

了解與控制局部結(jié)構(gòu)化學(xué)反應(yīng)的遠(yuǎn)程相互作用；

并從一系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)展到對(duì)大型多樣數(shù)據(jù)集的統(tǒng)計(jì)挖掘。

從本質(zhì)上講，“廢物”的概念必須從我們的設(shè)計(jì)框架中消失，以便我們從物質(zhì)和能量流的角度進(jìn)行思考?；ぎa(chǎn)品和生產(chǎn)工藝對(duì)生物圈和生態(tài)系統(tǒng)造成的危害應(yīng)該被視為一個(gè)重要的設(shè)計(jì)缺陷，應(yīng)該從功能和可持續(xù)性兩方面來擴(kuò)展性能定義。

本文作者肖霄博士畢業(yè)于華東師范大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，師從姜雪峰教授，現(xiàn)在浙江工業(yè)大學(xué)開展藥物合成工藝及不對(duì)稱催化研究。

-本文選自《世界科學(xué)》雜志2020年第4期“專稿”-

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