值得关注的绿色化学趋势：CAS Insights 网络研讨会亮点
全球各国政府正通过限制或禁止使用特定物质来达成环境与健康目标。科学家们在应对日益复杂的可持续发展挑战的同时，也面临着必须更快交付成果的巨大压力。近期举办的 CAS Insights 网络研讨会汇集了行业领袖与教育专家，共同探讨绿色科学趋势如何重塑各科学领域的研发工作。
在本次研讨会 《值得关注的绿色化学趋势：CAS Insights 网络研讨会亮点》 中，Amy Cannon 博士（Beyond Benign 联合创始人兼执行董事）、Dan Bailey（武田制药副科学研究员）以及 Leighton Jones（CAS 材料领域首席信息科学家）共同探讨了机械化学、水基反应和人工智能如何改变传统化学工艺，并同时满足关键的可持续性指标。
教育驱动绿色化学创新
Beyond Benign 由 Cannon 博士与绿色化学领域奠基人之一 John Warner 博士共同创立，致力于弥合化学专业人才培养与可持续化学产品开发所需技能之间的差距。Cannon 指出，约 85% 的化学专业毕业生进入了工业界，但其中许多人缺乏核心胜任力。
据 Beyond Benign 对行业专业人士的调查显示，企业在招聘具备绿色化学技能的科学家时面临困难。所需胜任力的清单日益增长，包括生命周期评估、技术经济评估、毒理学以及如何在研究环境中应用绿色化学原则等。
该组织的“绿色化学承诺”项目已扩展至全球 260 多所大学。该项目近期荣获英国皇家化学学会颁发的“地平线教育奖”，以表彰参与机构的共同努力。Beyond Benign 还通过与美国化学会（ACS）绿色化学研究所共同创建的“绿色化学教与学社区”平台，提供开放获取的资源。
Cannon 强调，绿色化学代表了一种范式转移，而非一门独立的学科。这之所以具有挑战性，是因为变革需要教育工作者投入专业发展、时间和资源，而他们本身已面临繁重的工作负荷。
可持续设计最大限度地减少制药业对环境的影响
Bailey 毕业于布朗大学，拥有化学和人类学双学士学位，目前负责武田制药的“可持续设计”项目。该项目专注于在产品设计阶段最大限度地减少环境影响，因为产品约 80% 的环境足迹在其生命周期内于此阶段即已确定。
“我认为在制药行业尤其如此，这是一个高度监管的行业。一旦新药或新产品获得卫生部门批准，就很难再对产品本身或生产方式进行更改，”Bailey 解释道。一旦药品获得卫生部门批准，任何变更都需要在多个国家进行耗时耗力的监管审批，从而将环境影响锁定在药品 15 到 20 年的生命周期内。
武田制药已承诺实现雄心勃勃的环境目标，包括在 2035 年实现运营和设施的净零排放，并在 2040 年实现整个价值链的净零排放。“可持续设计”项目通过全面审视活性成分、配方、包装和医疗器械，将这些企业目标转化为针对具体药品的切实可行策略。
生命周期评估有助于团队了解从资源开采到制造、分销、患者使用及废弃处理全过程的环境影响。Bailey 的团队发现，不同类型的药物具有不同的环境驱动因素。对于合成小分子药物，制造过程中使用的材料构成了最大的足迹。行业基准显示，生产一公斤活性成分平均需要 182 公斤材料，这意味着不到 1% 的投入转化为产品，而 99% 成为废物。在合成小分子工艺中，溶剂约占废物总量的 60%。
通过细胞培养生物工艺制造的生物制品呈现出不同的模式。维持洁净室环境的生产设施所消耗的能源占据了其碳足迹的主要部分。虽然生物制品的生产每公斤产品需要约 7,500 公斤的原材料投入，但其中约 95% 是水。
机械化学与水相化学挑战既定实践
两位专家均认为，机械化学和水相/水上化学是令人振奋的绿色科学趋势，因为它们挑战了关于化学反应如何发生的根本假设。Cannon 表示：“我认为多年来我注意到的最大误区之一是，许多人没有意识到绿色化学与他们的工作有何关联，或者认为它与自己的工作无关。”她强调了绿色化学在所有子学科中的广泛适用性。
Bailey 指出，武田制药在水相化学领域已深耕约八年，并在应用这些方法方面取得了重大进展。他解释道：“有机溶剂是我们产品生产中发现的最大热点问题之一。因此，任何能够减少有机溶剂使用量的举措都能产生非常巨大的影响。”水相化学主要涉及用水替代有机溶剂，同时保持相似的工艺流程，因此可以轻松适配现有设备。
机械化学需要制药公司可能缺乏操作经验的不同类型设备。关于扩大机械化学工艺规模的最安全方法仍存在疑问，尽管使用挤出机和连续珠磨机的研究已显示出前景。尽管面临这些挑战，武田制药仍保持在机械化学领域的合作，因为该技术在减少有机溶剂消耗方面具有巨大潜力。
Cannon 反思了这些趋势如何代表了对既定实践的根本性质疑。她提到了辛辛那提大学 James Mack 的研究，他阐述了化学家是如何在特定限制条件下接受培训的，主要是学习如何将原材料溶解在溶剂中。她说：“该领域的所有科学家都在审视这一点，并提出疑问：‘我们真的需要溶剂吗？还有什么其他方法能让这些材料发生反应？还有哪些其他形式的能量？’我认为创新正是在这种思考中产生的。”
人工智能加速可持续发展
武田制药已成功将人工智能应用于可持续工艺开发的多个维度。Bailey 描述了贝叶斯优化器如何结合中高通量筛选，帮助团队快速确定最佳反应条件。人工智能驱动的分析方法已产生令人瞩目的成果，包括与麻省理工学院团队合作开发的机器学习模型，该模型仅通过摄像头和激光即可测量粉末的粒度分布。
Bailey 和 Cannon 强调，预测毒理学是人工智能在绿色化学界获得广泛关注的领域。化学家通常缺乏毒理学培训，但这些知识对于分子设计至关重要。他们强调了这些知识对于材料选择决策的重要性，这些决策最终可能会影响到大规模生产。
采取行动，共建可持续化学企业
两位专家在结束语中鼓励化学行业的每一个人思考自己的工作如何影响环境可持续性。Bailey 在承认当前环境挑战的同时，强调了创新的巨大机遇。Cannon 也表达了同样的观点：“我认为关键在于找到你能采取的行动。我们需要在这个领域迎接挑战，我们也需要你的加入。”
本次网络研讨会展示了绿色科学趋势如何从实验室技术延伸至企业战略，从课堂教育延伸至监管合规。正如 Cannon 所言，化学作为一门核心科学，在影响其他许多领域方面具有巨大潜力，更充分地承担起这一责任将极大地推动可持续发展运动。
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如需探索专家们的更多见解，请观看完整的网络研讨会录像。您将更深入地了解绿色科学趋势如何塑造各科学领域的研发工作。
