绿色化学：值得关注的六大趋势

从农业、制药到消费电子产品，化学驱动着现代生活所需的各种产品和材料。然而，资源是有限的，废物和污染问题也持续存在，必须加以解决。与此同时，气候变化加剧了环境问题，使得以更可持续的方式生产所需物资变得刻不容缓。为了支持经济发展，我们依然需要化学及其所有创新成果，但它们必须更加绿色。当今一些最重要的科学趋势正是为了实现这一目标。

观看 我们的 CAS 洞察网络研讨会：绿色化学的关键趋势录像。武田制药可持续发展副科学研究员 Dan Bailey 和 Beyond Benign 执行董事兼联合创始人 Amy Cannon 博士与 CAS 材料首席科学家 Leighton Jones 一起，探讨了塑造这一重要科学领域的关键趋势。

丰富的元素能否驱动下一代永磁体？

永磁体是电机、半导体、发电机和各类消费电子产品的关键组件。这些磁体依赖于稀土，即 关键金属 的一个子集，这些金属在地理上分布集中且采购成本高昂。约 80% 的稀土产自中国，其成本和供应问题日益受到关注。开采稀土也可能造成环境破坏，因此从其他国家采购并不总是可行的。

研究人员目前正在开发使用铁和镍等地球丰产元素的高性能磁性材料，以替代永磁体中的稀土。这些替代品包括氮化铁 (FeN) 和四方铁镍矿 (FeNi) 等工程化合物，它们在提供竞争性磁性能的同时，避免了稀土采购带来的环境和地缘政治成本。

例如，科学家最近发现，添加磷到铁镍合金中可以产生四方铁镍矿，这是一种在陨石中发现的强力磁体，通常需要数百万年才能形成。这一绿色化学突破可在几秒钟内制成该材料，并为稀土（尤其是钕磁体）提供了一种强有力的替代方案。

含有丰产元素的永磁体可以推动以下领域的更可持续制造：

• 电动汽车 (EV) 电机
• 风力涡轮机
• 磁共振成像 (MRI) 设备
• 扬声器和智能手机等消费电子产品

随着更多行业寻求经济实惠且更环保的稀土替代品，预计这些磁体的生产规模很快就会扩大。

工厂转向绿色生产：采用无 PFAS 替代方案

全氟和多氟烷基物质 (PFAS) 具有持久性和生物蓄积性，且因其与环境和健康风险的关联而受到日益严格的监管。许多行业正面临压力，需从制造工艺和供应链中逐步淘汰 PFAS，尤其是纺织品、化妆品、炊具和塑料等被视为“非必要”用途的领域。针对这些产品实施绿色制造工艺，是实现长期解决方案而非短期替代的有效途径。

无 PFAS 制造包括使用等离子体处理、超临界二氧化碳清洗以及鼠李糖脂和槐糖脂等生物基表面活性剂，来替代基于 PFAS 的溶剂、表面活性剂和蚀刻剂。在某些情况下，由硅酮、蜡或纳米纤维素制成的无氟涂层也被整合到重新设计的工艺流程中。

这些创新减少了与 PFAS 污染相关的潜在责任和清理成本，并实现了众多产品更安全、更合规的生产。它们还为开发符合性能标准且不含毒性物质的绿色表面活性剂体系和无氟涂层打开了大门。

正如我们在关于 PFAS 格局的报告中所讨论的，逐步淘汰 PFAS 是一项全球性挑战，但近期的突破可能会推动无氟涂层在服装、食品包装等领域的商业化应用。我们或许很快就能看到生物基表面活性剂和绿色工艺工程的发展。

机械化学与绿色反应：无溶剂合成的新路径

机械化学利用机械能（通常通过研磨或球磨）来驱动化学反应，而无需使用溶剂。该技术能够实现常规及新型转化，包括涉及低溶解度反应物或在溶液中不稳定的化合物的转化。它正越来越多地用于合成药物、聚合物和先进材料，为反应发现和催化开辟了新领域。

溶剂往往占药物和精细化工生产环境影响的很大一部分，因此将其从工艺中剔除是一种可持续的制造方法，既能减少浪费又能提高安全性。例如，无水有机盐作为燃料电池中的纯有机质子导电电解质具有潜在应用价值，而燃料电池本身就是一种有助于降低排放的可再生能源技术。研究人员利用机械化学合成了无溶剂的咪唑二羧酸盐，成功减少了溶剂使用量，提高了产率，并降低了能耗。

我们预计未来几年将出现用于医药和材料生产的工业级机械化学反应器。这项技术还可能扩展到不对称催化、无金属转化和连续制造领域。人工智能引导的新型机械化学反应和催化剂发现也极具前景。

人工智能助力化学家选择最可持续的路径

传统的反应优化往往优先考虑产率和速度，而非环境成本。人工智能在化学领域的应用使研究人员能够设计出不仅高效，而且符合绿色化学原则的反应。人工智能通过实现对反应结果、催化剂性能和环境影响的预测建模，正在改变化学研究。

在绿色化学中，人工智能优化工具正被训练用于根据原子经济性、能源效率、毒性和废物产生等可持续性指标来评估反应。这些模型还可以建议更安全的合成路径和最佳反应条件（包括温度、压力和溶剂选择），从而减少对试错实验的依赖。

人工智能如何在此领域提供帮助？它可以：

• 预测催化剂的行为表现，无需进行物理测试，从而减少浪费、能源消耗以及潜在危险化学品的使用。‍
• 设计支持可持续农业中更绿色氨生产的催化剂，以及优化燃料电池的其他催化剂。
• 支持将高通量实验与机器学习相结合的自主优化循环。

随着监管和 ESG 压力的增加，这些预测模型和人工智能驱动的工具可以支持医药、材料科学等领域的可持续产品开发。这些工具的成熟将推动化学反应标准化可持续性评分系统的建立。我们还预计，人工智能引导的逆合成工具将得到扩展，在优先考虑性能的同时兼顾环境影响。

水相和水上反应：实现更绿色的合成路径

化学工业正面临减少环境足迹的巨大压力。有机溶剂是造成危险废物、空气污染和安全风险的主要因素。相比之下，水无毒、不易燃且来源广泛。然而几十年来，人们一直认为水不能作为催化反应的溶剂。近期的突破表明，许多反应可以在水中或水面上实现，这是可持续化学领域的一次范式转移。

水相和水上反应是指在以水为溶剂或在水与不溶于水的反应物界面上发生的化学过程。这些反应利用水独特的性质，如氢键、极性和表面张力，来促进或加速化学转化。即使反应物不溶于水，水上反应通常也能顺利进行，这表明水-有机界面在其中发挥了积极的催化作用。

​​​例如，科学家近期开发出一种通过电子轰击亚硝酸银溶液在水中制备银纳米颗粒的方法。该项目旨在深入了解纳米颗粒的生长控制及等离子体驱动的电化学反应。狄尔斯-阿尔德反应（Diels-Alder reaction）也已成功在水中加速进行。由于该反应广泛应用于各类有机化学领域，在无毒溶剂中完成该反应将有助于提升制药及多种材料行业的绿色化学水平。  

以水替代有毒有机溶剂，能够实现更绿色的合成路径与制造工艺。这不仅能降低生产成本，还能让资源匮乏地区及教育机构更便捷地开展化学合成。我们预计将看到：

• 水相反应在药物研发管线中得到更广泛的应用。
• 开发针对水环境优化的新型催化剂。
• 与流动化学及连续制造系统实现集成。
• 从小分子领域扩展至聚合物及材料合成。
• 改进界面效应建模，以预测水相反应结果。

低共熔溶剂（DES）萃取重塑循环化学  

从电子废弃物中提取金属是避免有毒污染并确保消费及工业设备材料供应的关键举措。从废弃物流中去除生物活性化合物同样重要，然而，传统的关键金属及生物活性化合物提取方法往往能耗高、危险性大且会对环境造成破坏。

低共熔溶剂（DES）是由氢键供体和受体组成的混合物，其形成的共熔物熔点低于任一单一组分。这些可定制、可生物降解的溶剂正被用于从废弃物、矿石及农业残余物中提取金、锂、稀土等关键金属，以及多酚、黄酮和木质素等生物活性化合物。与强酸或挥发性有机化合物（VOCs）等传统溶剂相比，DES 是一种低毒、低能耗的替代方案。DES 的常见组成包括：

• ​​​氢键受体（HBA）：通常为季铵盐（如氯化胆碱）
• 氢键供体（HBD）：如尿素、二醇、羧酸或糖类化合物
• 典型比例：1:2 或 1:3（HBA:HBD）

DES 符合循环经济的目标，即在最大限度减少排放和化学废物的同时，实现电子废弃物、废旧电池及生物质的资源回收。它们通过从农业副产品中提取有价值的化合物，支持生物炼制的发展。此外，它们还降低了对石油基溶剂的依赖，并为可持续材料拓展了市场机遇。

在不久的将来，我们预计基于 DES 的系统将在工业金属回收和生物质加工领域实现规模化应用，并出现针对食品、医药和化妆品行业定制的商业化 DES 配方。通过整合酶促和发酵工艺，实现全谱生物质增值也将成为可能。

绿色化学影响着所有行业和领域，随着研究的深入，它将变得更加普及、经济且环境可持续。

‍