未来化学化工指南

2020年1月，耶鲁大学绿色化学与绿色工程中心副主任朱莉 • 齐默尔曼（Julie B. Zimmerman）教授、绿色化学之父保罗·阿纳斯塔斯（Paul T. Anastas） 、耶鲁大学副教授汉诺·雷克波尔（Hanno C. Erythropel）和原《绿色化学》期刊主编沃尔特·莱特纳（Walter Leitner）在《科学》上发表了他们共同撰写的综述“绿色化学未来的蓝图”（Designing for a green chemistry future）。

在2020年初，这个对人类仿佛具有转折意义的数字年份，以“绿色化学未来的蓝图”为题，深刻地描述对可持续发展绿色化学的构思与建议，并提出绿色化学的十二项原则，不得不说是具有深意的。

在可持续发展的社会中，物质基础很大程度上取决于化工产品及其生产工艺，这些产品和工艺的设计遵循“有利于人们生活”的原则。可以从最早的阶段（即设计阶段）就开始考虑分子的固有特性，进而解决产品及其工艺重复性、危险性及稳定性等问题。未来的化工产品、原料以及制造过程需要将绿色化学和绿色工程融合到可持续发展的理念中。这一转变需要先进的科技与创新，以及从微观分子层面开始并在全球范围内产生积极影响的系统思维和系统设计。

在为未来的地球进行设计时，化学领域所面临的科学问题不再是化工产品是否必需，而是一个可持续发展的社会需要什么样的化工产品的特性和生产工艺？

化学具有悠久的历史，创制了很多重要的高品质产品和工艺。当前的化工产业是一条依赖于原料的生产链，其原料主要是自然界中有限的化石资源。这些反应物通常反应活性较高且伴有毒性，时常会因为意外泄漏，导致工人中毒事件发生（如异氰酸甲酯在印度博帕尔发生泄漏；二噁英在美国密苏里州的时代海滩和意大利的塞韦索发生泄漏）。

同时，大部分生产工艺产生的废物（通常具有毒性、持久性和生物积累性）比例甚至高于预期产品，特别是在产品复杂性增加的情况下（例如，特殊化学品产生的废物是预计产品的5~50倍，而药品是25~100倍）。

目标化工产品通常是按预期用途设计，通过控制生产环境来降低泄漏可能造成的危害，而这些危害又往往没有进行过评估，这可能是由于长久以来缺乏相应的工具和模型，这一点可以从众多意外的发生中得到证明。

鉴于化工产品不断地为社会提供诸多便利，因此未来化工产品的设计必须包含两个目标：

一是如何保持并改善性能，

二是如何限制或消除威胁人类社会可持续发展的有害影响。

回答以上问题是一项严峻的科学挑战。

在绿色化学和绿色工程领域取得的大量科学成果表明，化工产品和生产工艺在实现更多功能的同时，是可以降低对人类社会的不利影响的。这些成功不是道听途说，而是需要通过系统的思维体系来实现。

为了实现这一目标，不仅需要改变生产和使用化工产品的条件和环境，而且还需要改变从原料到应用的整个价值链中化工产品和试剂本身的固有特性。这就需要将“性能”的定义从“功能”转变为“功能和可持续性”，这一目标只有通过掌握分子的固有特性及其变化并加以设计才能实现。

要在综合的体系框架中进行设计和创新

在复杂体系中采用传统的简化方法追求可持续性的改进设计是非常具有挑战性的。

尽管已经有许多简化方法失败的案例，我们依然时常使用该框架来应对可持续性的挑战，仅仅专注于独立的个别指标（如温室气体排放、能源或淡水消耗），而不是把可持续性作为一种综合性、体系性的多维问题。

目前，化工行业中诸多可持续发展工作的重点是通过提高效率来逐步改善产品和工艺，但这种方法是不完善的。相反，我们需要进行颠覆式的变革来应对未来可持续社会的需求。

这就要从整体统筹后提出解决方案，以确保不会产生偏差或意外。因此，传统的简化方法必须与综合的体系性思维相结合，才能为未来可持续社会的设计提供指导。

现在有了所谓的“协同解决方案”，即协同推进多种可持续性问题的解决方案。

例如，地球上有一种含量丰富的金属催化剂，它可以利用阳光分解水产生氢气，实现能量储存，又可以在氢气燃烧后产生水用于能量的回收。

另一个例子是设计一种以“碳中性”方式生产的未来燃料，可以同时达到减少空气污染排放和提高发动机效率的双重目的。

虽然有关串联非线性问题的争论仍在进行（例如，增加化石能源的开采→更大的淡水使用压力→难民迁移→社会动荡和军事冲突），但通过“协同解决方案”的系统思考和设计有可能解决这些问题，“讷于言而敏于行”将创造事半功倍的效果（例如，利用二氧化碳将废物转化为原料→避免使用光气等有毒试剂→减少二氧化碳排放→减缓二氧化碳上升水平→减缓全球气候变化）。

将性能的定义从技术功能扩展到可持续性功能

这一扩展的性能定义，要求工艺设计人员对化工产品不仅要了解技术功能的机理，还要了解这些物质可能造成的危害。

这种对性能的扩展定义隐含要求了任何设计、发明和打算制造化工产品的人必须了解产品相关危害的知识，它可能是全球性的、物理上的或毒理上的危害。

 

图1 绿色化学的十二项原则

未来化工产品的内在属性

值得注意的是，危险性是化学品的固有属性，也是设计选择的结果。因此，有必要在深入理解分子作用机制后再设计化工产品和生产工艺，从而避免造成人类身心上的损害和对环境的破坏。

因此，对性能的扩展定义应包含化学品的功能及其固有性质，包括它们在环境中的可再生性、无毒性和可降解性。

可再生性

从化石化学到可再生化学的过渡必须在综合的系统环境中进行周密的设计，要考虑可能因土地转化、用水或与食品生产竞争等因素而引起的负面影响。

至关重要的是，使用良性工艺可实现向可再生原料的重要转变，包括从线性工艺到循环工艺的转变（图1）。

因此，目前被认为是低价值的材料必须作为未来的可再生原料来处理。利用低价值“废物”的例子包括将造纸厂废物中的木质素转化为生产香兰素的原料，以及在聚氨酯生产中直接使用二氧化碳实现部分取代石油基环氧丙烷，这都将大大减少碳排放，同时能改善其他环境参数。

化学家需要更加深入考虑“废物设计”问题：如何调整合成路线，尽量避免副产物的处理，或者让副产物可用作原料（图1）。

无毒性

无毒化工产品的设计需要通过化学、毒理学、基因组学和其他相关领域的合作来实现。有必要理解和研究潜在的分子机制，包括分子是如何在体内分布、吸收、代谢和排泄的，以及溶解度、反应性和细胞渗透性等物理化学特性如何影响这些过程。

对毒性进行预测和建模的工作正在进行中。然而，模型依赖于有限的可用毒性数据，目前美国和欧盟的一些项目正在收集这些数据。

可降解性

未来的化学物质必须设计成易降解、不破坏环境的非持久性化合物。

需要理解导致持久性的分子特征和环境机制，才能建立预测模型。例行评估合成化合物的潜在持久性对于最终可能分布于环境中的每个（新）设计的化合物都是至关重要的（如药品和个人护理产品）。

矛盾的是，考虑到化合物修饰、合成路线的能量消耗与分子复杂性时，稳定性可能是理想的属性。

一个重要的考虑是评估这种“投资”是否具有增值应用，而不是简单追求降解途径的设计（图2）。

图2 化工设计决策系统

对于来源可再生、高度复杂性的分子，而这些分子又不是天然化合物，就需要通过设计重复使用或循环路线将其重新融入价值链中；如果分子是天然化合物，无论其复杂性如何，都具有可降解性。

利用非化石原料重新设计化工价值链

如今的化工产业几乎完全依赖石油、天然气和煤作为碳的来源。出现在20世纪下半叶的石油化工价值链形成了一个高度集成的网络，有时被称为“石油树”（图3）。

石化炼油厂生产的模块不到12个，特别是短链烯烃和芳烃，与合成气体一起成为石油树的茎，这些茎又衍生出石油树的树干、树枝和树叶，最终形成100 000多种化学物质，构成了分子的多样性。

石油化学的价值很大程度上来自于在分子中引入官能团的合成方法。因此，原料的可用性和所需产品的功能对化工生产路线和工艺开发有着直接的反馈作用。

合成方法的改进无疑仍将是一个主要的研究领域，对环境具有最直接的影响。由于资源的枯竭、全球气候的变化以及产生毒副产物等问题，石油不是一个可持续发展的选择。最终，基于非化石碳源和可再生资源的新价值链设计将为封闭的循环铺平道路。这种形式的转变，标志着化学领域的下一次工业演变已经开始（图3）。

可再生碳资源的利用变得具有竞争力，这需要重大的科学突破和创新，应积极研究先进的氢技术和电化学工艺来开发和利用能源。

在碳源中，木质纤维素生物质和二氧化碳是地球上最丰富的原料之一，其数量足以实现化学价值链的“去石油化”；再生塑料材料是循环经济框架下另一个潜在的丰富碳源。

与仅由碳氢构成的化石资源相比，这些原料由高度氧化和“过度功能化”的分子组成。因此，它们的转变需要新的综合理念和方法来实现。

应对复杂性挑战的一个选择就是消除它。

因此，几乎所有非化石原料都可以将额外的“根”添加到石油树中；然后，“绿色碳”通过现有的所有“树枝”和“树叶”传递。此法利用已建立的知识体系和基础设施，重组了有价值的功能。

另一策略则是利用可再生原料固有的复杂性，实现通往目标官能团分子的捷径。

定制的化学品和生物催化剂可以适应原料质量的变化和能源供应的波动，以及高度集成和高能效净化工艺的发展，将成为这一发展背后的重要科学动力。

或许更有利的是，可再生原料提供了全新的化学模块，可以推动功能的改善，且不会对人类健康和环境造成历史性的负面影响。

例如，最近单糖衍生合成的呋喃二甲酸（FDCA）引起了人们的兴趣，它可能成为新型聚酯产品（如碳酸化液体容器）的基础材料；将二氧化碳直接纳入消费产品的聚合物链已经实现了工业化。越来越多基于二氧化碳和氢气与其他底物选择性偶联的新合成方法说明了它们在产物合成后期构建官能团的巨大潜力。

在这一领域，显而易见的是将分子和工程科学与产品性能进行系统的整合，这将使能源和物质在化学-能源关系上的统一成为可能，并为化学与农业、钢铁、水泥等行业的耦合创造新的机会。

通过“反合成分析”解构高度复杂的目标分子，从而从现有的原料和合成方法中设计其合成，这是当今合成有机化学的核心支柱。

同样的概念思路可以转化为一种新的设计框架，用于从可再生原料合成目标产品。

结论

爱因斯坦有句名言：“问题不能在产生问题的同一意识水平上得到解决。”

我们需要的新工具、新方法包括：

掌握弱相互作用作为设计工具，正如我们已经意识到的共价键一样；

设计复杂而非理想态的混合物，而不是合成单个分子来实现某种功能；

在综合的动态现实中而不是简单的静态快照中了解分子；

了解与控制局部结构化学反应的远程相互作用；

并从一系列实验数据分析发展到对大型多样数据集的统计挖掘。

从本质上讲，“废物”的概念必须从我们的设计框架中消失，以便我们从物质和能量流的角度进行思考。化工产品和生产工艺对生物圈和生态系统造成的危害应该被视为一个重要的设计缺陷，应该从功能和可持续性两方面来扩展性能定义。