農業から医薬品、家庭用電化製品に至るまで、化学は現代生活を可能にする製品や材料を支えています。しかし、リソースは有限であり、廃棄物や汚染は継続的に対処すべき課題です。同時に、気候変動は環境問題を悪化させており、必要なものを持続可能な方法で生産することが緊急の課題となっています。私たちの経済を支えるためには、依然として化学とそのあらゆる革新が必要ですが、それらはより環境に配慮したものでなければなりません。今日の最も重要な科学的潮流のいくつかは、まさにその実現を目指しています。
CAS Insightsウェビナー：グリーンケミストリーの主要トレンドにご登録ください。Dan Bailey氏（武田薬品の持続可能性担当アソシエイトサイエンティフィックフェロー）とAmy Cannon博士（Beyond Benignのエグゼクティブディレクター兼共同創設者）が、Leighton Jones（CASの材料担当リードサイエンティスト）と共に、この重要な科学分野を形作る主要なトレンドについて議論します。ぜひご覧ください。
豊富な元素は次世代永久磁石の動力源となり得るのか？
永久磁石は、モーター、半導体、発電機、あらゆる種類の民生用電子機器の重要な部品です。これらの磁石は、希少金属のサブセットであるレアアースに依存していますが、レアアースは地理的に集中しており、調達コストも高くなります。全レアアースの約80%は中国から供給されており、コストと入手可能性に対する懸念が高まっています。レアアースの採掘は環境に悪影響を与える可能性もあるため、他国からレアアースを調達することが必ずしも可能というわけではありません。
研究者たちは現在、永久磁石のレアアースに代わる高性能の磁性材料を、鉄やニッケルといった地球上に豊富に存在する元素を使って開発しています。これらの代替品には、窒化鉄（FeN）やテトラテーナイト（FeNi）などの人工化合物が含まれ、これらは、レアアースの調達に伴う環境的および地政学的コストをかけずに競争力のある磁気特性を提供します。
例えば、科学者たちは最近、リンを添加すると鉄ニッケル合金がテトラテーナイトを生成することを発見しました。テトラテーナイトは、通常何百万年もかけて形成される隕石に含まれる強力な磁石です。このグリーンケミストリーの画期的な進歩により、数秒で材料が作られ、レアアース、特にネオジム磁石の強力な代替品が提供されます。
豊富な元素を含む永久磁石は、次のようなもののより持続可能な製造を推進することができます。
- 電気自動車（EV）モーター
- 風力タービン
- 磁気共鳴画像（MRI）装置
- スピーカーやスマートフォンなどの民生用電子機器
より多くの業界がレアアースに代わる手頃な価格で環境に優しい代替品を求めるようになるにつれ、これらの磁石の生産規模はすぐに拡大すると予想されます。
PFASフリーの代替品で環境に配慮した工場
ペルフルオロアルキル化合物およびポリフルオロアルキル化合物（PFAS）は、持続性、生体蓄積性があり、環境や健康へのリスクにつながるため、規制が厳しくなっています。多くの業界、特に繊維、化粧品、調理器具、プラスチックなどの「必須ではない」用途と見なされるものは、製造プロセスやサプライチェーンからPFASを段階的に廃止するよう圧力をかけられています。これらの製品にグリーン製造プロセスを導入することは、短期的な代替ではなく、長期的なソリューションとなります。
PFASフリーの製造には、PFASベースの溶剤、界面活性剤、エッチング剤を、プラズマ処理、超臨界CO₂洗浄、ラムノリピッドやソホロリピッドのようなバイオベースの界面活性剤などの代替品に置き換えることが含まれます。場合によっては、シリコーン、ワックス、またはナノセルロースから作られたフッ素フリーのコーティングも、再設計されたワークフローに統合されます。
これらの革新により、PFAS汚染に関連する潜在的な賠償責任と浄化コストが削減され、多くの製品をより安全で規制に準拠した形で生産することが可能になります。それらはまた、毒性物質を含まない性能基準を満たすグリーン界面活性剤系やフッ素フリーコーティングへの扉を開きます。
PFASの状況に関するレポートで述べたように、PFASの段階的廃止は世界的な課題ですが、最近の進歩により、衣類、食品包装などへのフッ素フリーコーティングの商業展開が可能になる可能性があります。また、近い将来、バイオベースの界面活性剤やグリーンプロセスエンジニアリングの開発も見られるようになるでしょう。
メカノケミストリーとグリーン反応：無溶媒合成による新たな経路
メカノケミストリーは、機械エネルギー — 通常は粉砕やボールミリング — を用いて、化学反応を駆動するものであり、溶剤を必要としません。この技術により、低溶解度の反応物やソリューション中で不安定な化合物を含む従来型および新規型の変換が可能になります。これは主に医薬品、ポリマー、先端材料の合成に使用され、反応の発見と触媒の新たな領域を開拓しています。
溶剤は医薬品やファインケミカルの製造における環境への影響の大部分を占めることが多いため、プロセスから溶剤を除去することは、廃棄物を削減し安全性を高める持続可能な製造アプローチとなります。例えば、無水有機塩は、燃料電池における純粋な有機プロトン伝導性電解質としての潜在的な用途があり、それ自体が排出量の削減に役立つ再生可能エネルギー技術です。研究者らはメカノケミストリーを利用して無溶媒イミダゾールジカルボン酸塩を合成し、溶媒使用量の削減、高収率化、エネルギー消費量の削減に成功しました。
今後数年で、製薬や材料生産のための産業規模の機械化学反応炉が導入されると予想されます。この技術は非対称触媒、金属を使用しない変換、および連続製造へと拡大する可能性があります。AIを活用した新規の機械化学反応および触媒の発見も非常に有望です。
AIは化学者が最も持続可能な道を選ぶのを手助けする
従来型の反応の最適化では、環境コストよりも収率と速度を優先することがよくあります。化学におけるAIにより、研究者は効果的であるだけでなく、グリーンケミストリーの原理に沿った反応を設計できるようになります。AI は、反応の結果、触媒の性能、環境への影響の予測モデル化を可能にすることで、化学研究を変革しています。
グリーンケミストリーにおいて、AI最適化ツールは、原子経済性、エネルギー効率、毒性、廃棄物生成などの持続可能性指標に基づいて反応を評価するように訓練されています。これらのモデルは、温度、圧力、溶媒の選択などを含む、より安全な合成経路と最適な反応条件を提案することもできるため、試行錯誤の実験への依存を減らすことができます。
この分野でAIはどのように役立つのでしょうか？AIは、
- 物理的にテストする必要なく、廃棄物、エネルギー使用量、および潜在的に危険な化学薬品の使用を削減するために、触媒がどのように振る舞うかを予測します。
- 持続可能な農業のためのより環境に優しいアンモニア生産をサポートする触媒や、燃料電池を最適化する触媒を設計します。
- 高スループットの実験と機械学習を統合する自律的な最適化ループをサポートします。
規制およびESGの圧力が高まる中、これらの予測モデルとAIを活用したツールは、製薬、材料科学などで持続可能な製品開発をサポートできます。これらのツールの成熟は、化学反応のための標準化された持続可能性評価システムの開発につながるでしょう。また、パフォーマンスだけでなく環境への影響も優先するAIガイドによる逆合成ツールの拡大も期待されます。
水中反応と水面反応により、より環境に優しい合成経路が可能に
化学産業に対して、環境負荷を減らす圧力が高まっています。有機溶剤は有害廃棄物、大気汚染、安全リスクの主要な要因となっています。対照的に、水は無毒、不燃性であり、広く入手可能です。しかし何十年もの間、水は触媒の溶媒として機能しないと考えられていました。最近の進歩により、多くの反応が水中または水上で達成できることが示されており、これは持続可能な化学におけるパラダイムシフトです。
水中反応および水中反応は、溶媒としての水中で、または水と水に不溶性の反応物との界面で発生する化学プロセスです。これらの反応は、水素結合、極性、表面張力などの水の固有の特性を利用して、化学変化を促進または加速します。反応物が水に溶けない場合でも、水中反応はよく進行することが多く、これは水と有機物の界面が活発な触媒的役割を果たすことを示唆しています。
たとえば、科学者たちは最近、亜硝酸銀溶液に電子を衝突させることで、水中の銀ナノ粒子を開発しました。このプロジェクトは、ナノ粒子の成長制御とプラズマ駆動の電気化学をよりよく理解することを目的としていました。ディールス・アルダー反応は水中でも加速することに成功しました。この反応は数多くの有機化学応用分野で用いられているため、毒性のある溶媒を用いずにこれを達成することは、医薬品や様々な材料分野におけるグリーンケミストリーを促進することができます。
有害な有機溶媒を水に置き換えることで、より環境に優しい合成経路と製造が可能になります。また、生産コストを削減し、資源の少ない環境や教育機関での化学合成へのアクセスを拡大できます。今後の展望は以下の通りです。
- 医薬品研究開発パイプラインにおける水ベースの反応の採用拡大。
- 水溶液環境に最適化された新しい触媒の開発。
- フロー化学と連続製造システムの統合。
- 小分子を超えた高分子および材料合成への拡張。
- 水上反応の結果を予測するための界面効果のモデル化の改善。
DESによる抽出は循環型化学を再形成します
電子廃棄物から金属を抽出することは、有毒汚染を回避し、消費者向けおよび産業用デバイス用の材料の十分な供給を確保するために極めて重要です。廃棄物から生物活性化合物を除去することも同様に重要ですが、重要な金属や生物活性化合物の従来の抽出方法は、多くの場合、大量のエネルギーを消費し、危険で、環境に悪影響を及ぼします。
しかし、深共晶溶媒（DES）は、水素結合供与体と受容体の混合物であり、どちらの成分よりも低い融点を持つ共晶を形成します。これらのカスタマイズ可能な生分解性溶媒は、金、リチウム、レアアースなどの重要な金属や、ポリフェノール、フラボノイド、リグニンなどの生理活性化合物を、廃棄物、鉱石、農業残渣から抽出するために使用されています。DESは、強酸や揮発性有機化合物（VOC）のような従来の溶媒に代わる低毒性、低エネルギーの代替品です。DESの例には次のようなものがあります。
- 水素結合受容体（HBA）：通常は第四級アンモニウム塩（例：塩化コリン）
- 水素結合供与体（HBD）：尿素、グリコール、カルボン酸、糖などの化合物
- 典型的な比率：1:2または1:3（HBA:HBD）
DESは、排出量と化学廃棄物を最小限に抑えながら、電子廃棄物、使用済み電池、バイオマスから資源を回収できるようにするという循環経済の目標に沿っています。農業副産物から貴重な化合物を抽出することでバイオ精製所の開発を支援します。また、石油化学溶剤への依存を減らし、持続可能な材料の市場機会を拡大します。
近い将来、産業用金属回収とバイオマス処理のためのDESベースのシステムの拡大、そして食品、製薬、化粧品向けに調整された商用DES製剤が見られるようになると予想されます。酵素プロセスと発酵プロセスを統合することで、全範囲のバイオマス高度利用も可能になります。
グリーンケミストリーはあらゆる産業や分野に影響を及ぼしており、研究が進むにつれて、より一般的になり、手頃な価格になり、環境的に持続可能なものになるでしょう。最新の研究情報をこちらでご確認ください：
