グリーンケミストリー：注目すべき6つの主要トレンド

農業から医薬品、家電製品に至るまで、化学は現代生活を支える製品や素材の原動力です。しかし、資源には限りがあり、廃棄物や汚染の問題は絶えず対処しなければなりません。同時に、気候変動が環境問題を深刻化させており、必要なものをより持続可能な方法で生産することが急務となっています。経済を支えるためには、今後も化学とその革新が必要不可欠ですが、それらはより環境に配慮したものであるべきです。現在、最も重要な科学的トレンドのいくつかは、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」の録画をご覧ください。本ウェビナーでは、Dan Bailey氏（武田薬品工業 サステナビリティ担当アソシエイト・サイエンティフィック・フェロー）とAmy Cannon博士（Beyond Benign エグゼクティブ・ディレクター兼共同創設者）を迎え、Leighton Jones（CAS マテリアル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成する主要なトレンドについて議論しました。

豊富な元素で次世代の永久磁石を実現できるか？

永久磁石は、モーター、半導体、発電機、そしてあらゆる家電製品に不可欠なコンポーネントです。これらの磁石は、重要金属の一種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偏在しており、調達コストも高額です。全レアアースの約80%が中国から供給されており、コストと供給の安定性が懸念されています。また、レアアースの採掘は環境破壊を伴う可能性があるため、他国からの調達も常に可能とは限りません。

現在、研究者たちは、永久磁石におけるレアアースの代替として、鉄やニッケルといった地球上に豊富に存在する元素を用いた高性能な磁性材料の開発を進めています。こうした代替材料には、窒化鉄（FeN）やテトラテナイト（FeNi）などのエンジニアリング化合物が含まれており、レアアース調達に伴う環境的・地政学的コストを抑えつつ、競争力のある磁気特性を実現しています。

例えば、科学者たちは最近、鉄ニッケル合金にリンを添加することで、隕石中に見られる強力な磁石であるテトラテナイトを生成できることを発見しました。通常、テトラテナイトの形成には数百万年を要しますが、このグリーンケミストリーのブレイクスルーにより、わずか数秒で材料を製造することが可能になりました。これは、特にネオジム磁石に代わる強力な選択肢となります。

Permanent magnets containing abundant elements can drive more sustainable manufacturing for the following:

• 電気自動車（EV）用モーター
• 風力タービン
• 磁気共鳴画像装置（MRI）
• スピーカーやスマートフォンなどの家電製品

より多くの産業がレアアースに代わる手頃で環境に優しい代替品を求めていることから、これらの磁石の生産拡大が間もなく進むと予想されます。

PFASフリーの代替技術でグリーン化を進める製造現場

PFAS（有機フッ素化合物）は残留性と生物蓄積性が高く、環境や健康へのリスクが指摘されていることから、世界的に規制が強化されています。多くの産業界、特に繊維、化粧品、調理器具、プラスチックなど「非必須」と見なされる用途では、製造プロセスやサプライチェーンからPFASを排除するよう圧力がかかっています。これらの製品において、一時的な代替品への切り替えではなく、グリーンな製造プロセスを導入することが長期的な解決策となります。

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、ラムノリピドやソホロリピドといったバイオ由来の界面活性剤などの代替技術に置き換えることが含まれます。また、シリコーン、ワックス、ナノセルロースを用いたフッ素フリーコーティングを、再設計されたワークフローに組み込むケースもあります。

こうした技術革新は、PFAS汚染に伴う潜在的な法的責任や浄化コストを削減し、より安全でコンプライアンスに準拠した製品製造を可能にします。さらに、毒性物質を含まずに性能基準を満たす、環境に配慮した界面活性剤システムやフッ素フリーコーティングの道も切り拓きます。

私たちがPFASの現状に関するレポートで論じたように、PFASの段階的廃止は世界的な課題ですが、近年の技術的ブレイクスルーにより、衣類や食品包装などへのフッ素フリーコーティングの商用展開が進む可能性があります。また、バイオ由来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間もなく進展するでしょう。

メカノケミカル反応とグリーン反応：溶媒フリー合成による新たな道

メカノケミカル反応は、主に粉砕やボールミルによる機械的エネルギーを利用して、化学反応を促進させる手法であり、溶媒を必要としません。この技術により、従来の反応はもちろん、溶解性の低い反応物や溶液中で不安定な化合物を用いた新たな変換が可能になります。医薬品、ポリマー、先端材料の合成に活用される機会が増えており、反応探索や触媒技術の新たなフロンティアを切り拓いています。

溶媒は医薬品やファインケミカル製造における環境負荷の大きな要因となっているため、プロセスから溶媒を取り除くことは、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です。例えば、無水有機塩は、燃料電池用の純粋な有機プロトン伝導性電解質としての応用が期待されており、これは排出量削減に貢献する再生可能エネルギー技術でもあります。研究者らはメカノケミカル反応を用いて溶媒フリーのイミダゾールジカルボン酸塩を合成することに成功し、溶媒使用量の削減、高収率の達成、エネルギー消費の低減を実現しました。

今後数年のうちに、医薬品や材料製造の現場で産業規模のメカノケミカル反応器が導入されると予想されます。この技術は、不斉触媒、金属フリー変換、連続製造へと拡大する可能性もあります。また、AIを活用した新規メカノケミカル反応や触媒の探索も非常に有望です。

AIが導く化学者のための最も持続可能な道

従来の反応最適化では、環境コストよりも収率や速度が優先されることが一般的でした。しかし、化学分野におけるAIの活用により、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則に沿った反応を設計できるようになっています。AIは、反応結果、触媒性能、環境負荷の予測モデリングを可能にすることで、化学研究を大きく変革しています。

グリーンケミストリーにおいて、AI最適化ツールは、原子効率、エネルギー効率、毒性、廃棄物発生量といった持続可能性指標に基づいて反応を評価するように学習されています。これらのモデルは、より安全な合成経路や、温度、圧力、溶媒の選択を含む最適な反応条件を提案できるため、試行錯誤による実験への依存を減らすことができます。

AIはこの分野でどのように貢献できるのでしょうか。主な役割は以下の通りです。

• 触媒の挙動を物理的な試験なしで予測し、廃棄物、エネルギー消費、潜在的に有害な化学物質の使用を削減します。‍
• 持続可能な農業のためのより環境に優しいアンモニア製造を支援する触媒や、燃料電池を最適化する触媒の設計を行います。
• ハイスループット実験と機械学習を統合した自律的な最適化ループをサポートします。

規制やESGへの対応が求められる中、こうした予測モデルやAI駆動型ツールは、医薬品や材料科学など幅広い分野で持続可能な製品開発を支えるでしょう。これらのツールが成熟すれば、化学反応に対する標準化された持続可能性スコアリングシステムが構築されるはずです。また、性能と環境負荷の両方を重視するAI主導の逆合成解析ツールの普及も期待されます。

より環境に優しい合成経路を実現する水中および水上反応

化学業界には、環境負荷を低減するよう求める圧力が強まっています。有機溶媒は、有害廃棄物、大気汚染、安全上のリスクの主な原因となっています。対照的に、水は無毒で不燃性であり、広く利用可能です。しかし、数十年にわたり、水は触媒の溶媒として機能しないと考えられてきました。近年のブレイクスルーにより、多くの反応が水中または水上で実現可能であることが示され、持続可能な化学におけるパラダイムシフトが起きています。

水中および水上反応とは、水を溶媒として用いるか、水と水に不溶な反応物の界面で進行する化学プロセスです。これらの反応は、水素結合、極性、表面張力といった水の独自の特性を利用して、化学変換を促進または加速させます。水上反応は、反応物が水に溶けない場合でも良好に進行することが多く、水と有機物の界面が触媒として機能していることを示唆しています。

​​​For example, scientists recently developed silver nanoparticles in water by striking a silver nitrite solution with electrons. The project aimed to better understand nanoparticle growth control and plasma-driven electrochemistry. The Diels-Alder reaction was also successfully accelerated in water. Since this reaction is used across numerous organic chemistry applications, completing it without toxic solvents can enhance green chemistry across pharmaceuticals and various materials.  

毒性のある有機溶媒を水に置き換えることで、より環境に配慮した合成経路や製造が可能になります。また、生産コストの削減にもつながり、リソースの限られた環境や教育機関においても化学合成の機会を拡大できます。今後、以下の展開が期待されます。

• 医薬品の研究開発パイプラインにおける水系反応の採用拡大。
• 水環境に最適化された新しい触媒の開発。
• フロー化学および連続製造システムとの統合。
• 低分子化合物にとどまらない、ポリマーや材料合成への応用拡大。
• 界面効果のモデリング向上による、水系反応結果の予測精度の向上。

DES（深共晶溶媒）による抽出が循環型化学を再構築する

電子廃棄物からの金属抽出は、有害な汚染を防ぎ、消費者向けデバイスや産業機器に必要な材料を安定供給するために不可欠です。同様に、廃棄物から生理活性化合物を除去することも重要ですが、従来の金属や生理活性化合物の抽出方法は、エネルギー消費が激しく、危険を伴い、環境に悪影響を与えることが少なくありません。

深共晶溶媒（DES）は、水素結合受容体と供与体の混合物であり、構成成分よりも融点が低い共晶を形成します。このカスタマイズ可能で生分解性の高い溶媒は、廃棄物、鉱石、農業残渣から、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、リグニンといった生理活性化合物を抽出するために利用されています。DESは、強酸や揮発性有機化合物（VOC）といった従来の溶媒に代わる、低毒性かつ低エネルギーな選択肢となります。DESの例を以下に挙げます。

• ​​​水素結合受容体（HBA）：主に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、糖類などの化合物
• 一般的な比率：1:2 または 1:3（HBA:HBD）

DESは循環型経済の目標と合致しており、具体的には、電子廃棄物、使用済みバッテリー、バイオマスからの資源回収を可能にしつつ、排出物や化学廃棄物を最小限に抑えます。また、農業副産物から有用な化合物を抽出することで、バイオリファイナリーの発展を支援します。さらに、石油由来溶媒への依存を減らし、持続可能な材料の市場機会を拡大します。

近い将来、産業用金属回収やバイオマス処理に向けたDESシステムのスケールアップや、食品、医薬品、化粧品用途に最適化された商用DES製剤の登場が期待されます。酵素プロセスや発酵プロセスとの統合により、バイオマスの完全な有効活用も可能になるでしょう。

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、より一般的で手頃な価格となり、環境持続可能性も高まっていくでしょう。

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