从农业到制药，再到消费电子，化学推动着产品和材料的创新，构筑了现代生活。然而，资源是有限的，废弃物和污染问题持续存在，必须得到解决。与此同时，气候变化正加剧环境挑战，使得以更可持续的方式生产必需品变得尤为紧迫。为支撑经济发展，我们仍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在向此迈进。
请务必注册参加我们的 CAS Insights 网络研讨会：“绿色化学关键趋势”。武田制药可持续性领域副研究员 Dan Bailey 与 Beyond Benign 执行董事兼联合创始人 Amy Cannon 博士将联袂 CAS 材料领域首席科学家 Leighton Jones，共同探讨塑造这一关键科学领域的重要趋势。期待您的参与！
储量丰富的元素能否驱动下一代永磁体？
永磁体是电机、半导体、发电机及各类消费电子产品中的关键部件。这类磁体依赖稀土元素（一类关键金属），其地理分布集中且开采成本高昂。全球约 80% 的稀土产自中国，其成本和供应稳定性日益引发担忧。此外，稀土开采常伴随环境破坏，因此从其他国家获取也并非总能实现。
研究人员正致力于利用铁、镍等地球储量丰富的元素，开发用于永磁体的高性能磁性材料，以替代稀土。这些替代品包括氮化铁 (FeN) 与四方镍铁矿 (FeNi) 等工程化合物，它们具备可与稀土媲美的磁性能，同时避免了稀土开采带来的环境与地缘政治成本。
例如，科学家近期发现，在铁镍合金中添加磷，即可生成四方镍铁矿，一种通常需数百万年才能在陨石中形成的强磁性材料。这项绿色化学突破能在数秒内合成该材料，为钕磁铁等稀土永磁体提供了一种强大的替代方案。
使用储量丰富的元素制造的永磁体，可为以下领域推动更可持续的生产：
- 电动汽车 (EV) 电机
- 风力涡轮机
- 磁共振成像 (MRI) 仪
- 消费电子产品，如扬声器与智能手机
随着越来越多的行业寻求可负担、更环保的稀土替代品，预计此类磁体的生产规模将迅速扩大。
工厂正通过采用无 PFAS 替代品迈向绿色生产
全氟和多氟烷基物质（PFAS）因其持久性、生物累积性以及与环境和健康风险的关联而受到越来越多的监管。许多工业正面临压力，需要逐步从其生产过程和供应链中淘汰 PFAS，尤其是那些被认为是“非必要”用途的工业，如纺织品、化妆品、炊具和塑料制品。对这些产品实施绿色制造工艺提供了长期解决方案，而非短期替代。
无 PFAS 制造包括用替代品来取代含 PFAS 的溶剂、表面活性剂和蚀刻剂，例如采用等离子处理、超临界二氧化碳清洁以及鼠李糖脂、槐糖脂等生物基表面活性剂。在某些情况下，由硅树脂、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作流程中。
这些创新降低了与 PFAS 污染相关的潜在责任和清理成本，并使众多产品的生产更加安全、合规。它们还为绿色表面活性剂系统和不含氟的涂料打开了大门，这些涂料在不含有毒物质的情况下满足性能标准。
正如我们在关于 PFAS 现状的报告中所述，逐步淘汰 PFAS 是一项全球性挑战，但近期的突破可能推动无氟涂层在服装、食品包装等领域的商业化应用。此外，生物基表面活性剂和绿色工艺工程也预计在不久的将来取得进展。
机械化学与绿色反应：无溶剂合成的新途径
机械化学利用机械能（通常通过研磨或球磨实现），来驱动化学反应，无需使用溶剂。该技术能实现常规及新颖的转化反应，包括涉及低溶解度反应物或在溶液中不稳定化合物的反应。它正被更多地用于合成药物、聚合物及先进材料，为反应发现与催化研究开辟了新前沿。
在制药和精细化工生产中，溶剂通常对环境造成显著影响，因此从工艺中去除溶剂是一种可持续的制造方法，既能减少废弃物，又可提升安全性。例如，无水有机盐在燃料电池中具有作为纯有机质子传导电解质的应用潜力，而燃料电池本身也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方法合成了无溶剂的咪唑-二羧酸盐，成功减少了溶剂使用，获得了高产率，并降低了能耗。
我们预计，未来几年内将出现用于制药和材料生产的工业规模机械化学反应器。这项技术还可能拓展至不对称催化、无金属转化及连续化制造领域。由人工智能引导的新型机械化学反应与催化剂的发现也极具前景。
人工智能帮助化学家选择最可持续的路径
传统的反应优化通常将产率和速度置于环境成本之上。化学领域的人工智能则让研究人员能够设计出不仅有效，而且符合绿色化学原则的反应。人工智能正通过实现对反应结果、催化剂性能及环境影响的预测建模，变革着化学研究。
在绿色化学中，人工智能优化工具正被训练用于基于可持续性指标评估反应，例如原子经济性、能源效率、毒性及废弃物生成量。这些模型还能推荐更安全的合成路径与最佳反应条件（包括温度、压力及溶剂选择），从而减少对试错实验的依赖。
人工智能如何在这个领域提供帮助？它可以：
- 预测催化剂的行为而无需实际测试，从而减少废弃物、能源消耗以及潜在危险化学品的使用。
- 设计可支持更绿色氨生产以促进可持续农业的催化剂，以及优化燃料电池的其他催化剂。
- 整合高通量实验与机器学习，以支持自主优化循环。
随着监管与 ESG 压力的增加，这些预测模型和人工智能驱动的工具可为制药、材料科学等领域的可持续产品开发提供支持。这些工具的成熟将推动化学反应标准化可持续性评分体系的建立。我们亦预计，将看到更多优先考虑环境影响与性能的人工智能引导逆合成工具得到发展。
水相反应与水面反应为更绿色的合成路径提供了可能
化学工业正面临越来越大的减排压力。有机溶剂是危险废弃物、空气污染及安全风险的主要来源之一。相比之下，水无毒、不易燃且来源广泛。然而，数十年来人们普遍认为水无法作为催化反应的溶剂。近期的突破性研究表明，许多反应可以以水相反应与水面反应的方式实现，这正是可持续化学领域的一次范式转变。
水相反应与水面反应是指以水为溶剂在液相中进行的化学反应，或在水与不溶性反应物界面发生的化学过程。这些反应利用水的独特性质（如氢键作用、极性及表面张力）来促进或加速化学转化。即便反应物不溶于水，水面反应也常能顺利进行，这表明水与有机物之间的界面起到了积极的催化作用。
例如，科学家近期通过用电子轰击亚硝酸银水溶液，在水中成功制备了银纳米颗粒。该项目旨在更好地理解纳米颗粒的生长控制及等离子体驱动的电化学过程。此外，狄尔斯-阿尔德反应也在水中被成功加速。鉴于该反应广泛应用于众多有机化学领域，实现其无有毒溶剂化进行，能够推动制药及各类材料领域的绿色化学发展。
以水替代有毒有机溶剂，可实现更绿色的合成路径与生产方式。它同时降低了生产成本，并有助于在资源有限地区及教育机构中推广化学合成应用。我们预期将看到以下趋势：
- 水基反应在药物研发管线中得到更广泛采用。
- 针对水性环境优化的新型催化剂被开发出来。
- 与流动化学及连续化生产系统实现整合。
- 从小分子合成拓展至聚合物及材料合成领域。
- 对界面效应的模拟得到改进，以预测水面反应的结果。
DES 驱动的提取技术重塑了循环化学
从电子废弃物中提取金属对于避免有毒污染、保障消费及工业设备所需材料的充足供应至关重要。同样，从废物流中回收生物活性化合物也极为重要，然而，针对关键金属和生物活性化合物的传统提取方法往往能耗高、危险性大且对环境有害。
然而，深共晶溶剂 (DES) 是氢键供体和受体的混合物，它们形成的共晶熔点低于其中任何一种成分。这些可定制的生物降解溶剂被用于从废弃物流、矿石和农业残渣中提取关键金属（如黄金、锂和稀土）以及生物活性化合物（如多酚、类黄酮和木质素）。DES 为传统溶剂（如强酸或挥发性有机化合物 (VOC)）提供了一种低毒性、低能耗的替代方案。DES 示例包括：
- 氢键受体 (HBA)：通常为季铵盐（如氯化胆碱）。
- 氢键供体 (HBD)：尿素、多元醇、羧酸或糖类等化合物
- 典型比例：1:2 或 1:3 (HBA:HBD)
低共熔溶剂符合循环经济目标，即能够从电子废弃物、废旧电池及生物质中回收资源，同时最大限度地减少排放和化学废弃物。它们通过从农业副产品中提取有价值的化合物来支持生物精炼厂的发展。此外，它们减少了对石油化工溶剂的依赖，并为可持续材料拓展了市场机遇。
在不远的将来，我们预期将看到基于 DES 的工业金属回收与生物质加工系统的规模化应用，以及针对食品、制药和化妆品领域的商业化 DES 配方。通过整合酶催化与发酵工艺，还可能实现生物质的全组分高值化利用。
绿色化学正影响着所有行业与领域。随着研究的持续深入，它将变得更加普及、经济可行并兼具环境可持续性。请在此持续关注所有最新研究动态
