从农业到制药，再到消费电子，化学推动了使现代生活成为可能的产品和材料。然而，资源是有限的，废弃物和污染是必须持续应对的问题。与此同时，气候变化正在加剧环境问题，使得以更可持续的方式生产我们所需的产品变得紧迫。为了支撑经济发展，我们仍然需要化学及其所有创新——但这些创新必须更加“绿色”。当前一些最重要的科学趋势，正是朝着这一方向努力。
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、发电机以及所有类型消费电子产品的关键部件。这些磁体依赖于稀土元素——一类关键金属。
研究人员正致力于开发使用地球上丰富的元素（如铁和镍）的高性能磁性材料，以替代永磁体中的稀土元素。这些替代品包括工程化合物，如氮化铁 (FeN) 和四方镍铁 (FeNi)。
例如，科学家最近发现，向铁镍合金中添加磷可以产生四方镍铁，一种通常仅在陨石中发现、需数百万年才能自然形成的强磁性物质。这项绿色化学突破可在数秒内合成该材料，为钕磁体等稀土永磁体提供了强有力的替代方案。
含有丰富元素的永磁体可以为以下领域推动更可持续的制造：
- 电动汽车 (EV) 电机
- 风力涡轮机
- 磁共振成像 (MRI) 机器
- 消费电子产品，如扬声器和智能手机
随着越来越多行业寻求价格合理且更环保的稀土替代品，预计此类磁体的规模化生产将很快实现。
工厂转向无 PFAS 替代方案
全氟和多氟烷基物质 (PFAS) 具有持久性、生物累积性，并因其与环境及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，需逐步淘汰制造过程和供应链中的 PFAS，尤其是在纺织品、化妆品、炊具和塑料等被认定为“非必要用途”的领域。采用绿色制造工艺提供的是长期解决方案，而非短期替代。
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 (rhamnolipids) 和槐糖脂 (sophorolipids) 等生物基表面活性剂，替代传统的 PFAS 类溶剂、表面活性剂和蚀刻剂。在某些情况下，还整合了由硅酮、蜡或纳米纤维素制成的无氟涂层，重新设计生产工艺流程。
这些创新不仅降低了 PFAS 污染相关的潜在法律责任和清理成本，还能实现更安全、更合规的产品生产。同时，它们也为满足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开辟了道路。
正如我们在《PFAS 现状报告》中所讨论的，淘汰 PFAS 是一项全球性挑战，但近期的突破有望推动无氟涂层在服装、食品包装等领域的商业化应用。生物基表面活性剂和绿色过程工程的发展也指日可待。
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）驱动化学反应，无需使用溶剂。该技术不仅可实现传统转化，还能实现新颖反应，尤其适用于低溶解度反应物或在溶液中不稳定的化合物。目前，它已广泛应用于药物、聚合物和先进材料的合成，为反应发现与催化开辟了新前沿。
在制药和精细化学品生产中，溶剂往往是构成环境影响的主要部分。因此，从工艺中去除溶剂是一种可持续的制造策略，可显著减少废物并提升安全性。例如，无水有机盐有望作为纯有机质子导电电解质用于燃料电池——而燃料电池本身就是一种有助于减排的可再生能源技术。研究人员已通过机械化学成功合成了无溶剂的咪唑-二羧酸盐，不仅大幅减少了溶剂使用，还实现了高产率和更低能耗。
未来几年，我们有望看到用于制药和材料生产的工业级机械化学反应器。该技术还可能拓展至不对称催化、无金属转化以及连续制造领域。人工智能 (AI) 指导下的新型机械化学反应与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
传统反应优化通常优先考虑产率和速度，而忽视环境成本。而化学领域的人工智能 (AI) 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路径。AI 正在通过预测反应结果、催化剂性能及环境影响，彻底改变化学研究。
在绿色化学中，AI 优化工具正被训练用于评估反应的可持续性指标，如原子经济性、能量效率、毒性和废物生成量。这些模型还能推荐更安全的合成路线及最佳反应条件（包括温度、压力和溶剂选择），从而减少对试错实验的依赖。
AI 在此领域能够：
- 在无需物理测试的情况下预测催化剂行为，从而减少废物、能耗及潜在危险化学品的使用；
- 设计支持绿色氨合成（用于可持续农业）的催化剂，以及其他优化燃料电池性能的催化剂；
- 支持将高通量实验与机器学习相结合的自主优化闭环系统。
随着监管要求和 ESG（环境、社会与治理）压力不断加大，这些预测模型和 AI 驱动工具将助力制药、材料科学等多个领域的可持续产品开发。随着工具的成熟，化学反应的标准化可持续性评分体系也将建立。我们还将看到更多以环境影响为优先考量的 AI 辅助逆合成分析工具。
“水中”与“水上”反应：开启更绿色的合成路径
化学工业正面临越来越大的压力，需减少其环境足迹。有机溶剂是危险废物、空气污染和安全风险的主要来源。相比之下，水无毒、不可燃且广泛易得。几十年来，人们普遍认为水无法作为催化反应的溶剂。然而，近期的突破表明，许多反应可在水中或水-有机界面（即“水上”）高效进行——这标志着可持续化学的一次范式转变。
“水中”和“水上”反应是指在水作为溶剂内部，或在水与不溶于水的反应物界面处发生的化学过程。这些反应利用水的独特性质（如氢键、极性和表面张力）来促进或加速化学转化。“水上”反应即使在反应物不溶于水的情况下也能顺利进行，表明水-有机界面本身可能发挥主动催化作用。
例如，科学家最近通过向硝酸银水溶液发射电子，在水中成功合成了银纳米颗粒，旨在深入理解纳米颗粒生长控制与等离子体驱动电化学过程。此外，Diels-Alder 反应也在水中成功加速。由于该反应广泛应用于有机合成，若能在无毒溶剂中完成，将显著提升制药和多种材料领域的绿色化学水平。
以水替代有毒有机溶剂，不仅能实现更绿色的合成路径和制造工艺，还可降低生产成本，并使资源有限地区和教育机构更容易开展化学合成。我们预计未来将出现以下趋势：
- 水相反应在制药研发管线中的更广泛应用；
- 针对水相环境优化的新型催化剂开发；
- 与流动化学和连续制造系统的整合；
- 应用范围从小分子扩展至聚合物和材料合成；
- 对界面效应的建模改进，以更准确预测“水上”反应结果。
深共熔溶剂 (DES) 驱动的萃取重塑循环化学
从电子废弃物中回收金属，对于防止有毒污染并保障消费与工业设备所需材料的供应至关重要。同样，从废物流中提取生物活性化合物也十分关键。然而，传统的关键金属和生物活性物质萃取方法通常能耗高、危险性强且对环境有害。
深共熔溶剂 (Deep Eutectic Solvents, DES) 是由氢键受体 (HBA) 与氢键供体 (HBD) 组成的混合物，其共熔点低于任一组分。这类可定制、可生物降解的溶剂正被用于从电子废弃物、矿石和农业残余物中提取金、锂、稀土等关键金属，以及多酚、黄酮、木质素等生物活性化合物。DES为传统强酸或挥发性有机化合物 (VOCs) 等溶剂提供了低毒性、低能耗的替代方案。典型的DES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、乙二醇、羧酸或糖类
- 常见摩尔比：1:2 或 1:3 (HBA:HBD)
DES 契合循环经济目标，能够从电子废弃物、废旧电池和生物质中回收资源，同时最大限度减少排放和化学废物。它还通过从农业副产品中提取高价值化合物，支持生物精炼厂的发展；减少对石化溶剂的依赖，并为可持续材料创造新的市场机遇。
在不久的将来，我们预计将看到：DES 基系统在工业级金属回收和生物质加工中的规模化应用；针对食品、制药和化妆品应用定制的商用 DES 配方；结合酶法与发酵工艺，实现生物质的全组分高值化利用 (full-spectrum biomass valorization)。
绿色化学影响着所有行业与领域。随着研究的持续推进，它将变得更加普及、经济可行，并真正实现环境可持续性。
