化學(xué)科學(xué)為人類的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)，是推動(dòng)人類進(jìn)步的強(qiáng)有力工具?；屎蜌⑾x劑的出現(xiàn)，確保了農(nóng)產(chǎn)品的增產(chǎn)增收，解決了人類的基本生存問題。各類新型藥物的開發(fā)，使許多困擾人類的疾病得以治愈和消滅，我國(guó)城鄉(xiāng)居民人均壽命已從新中國(guó)成立初期的35歲提高到2018年的77歲。纖維、橡膠、塑料三大高分子材料，極大地提升了人們的生活質(zhì)量。

現(xiàn)代商業(yè)合成化學(xué)始于19世紀(jì)中葉苯胺紫染料的制造。在過去很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，化學(xué)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用都是基于其功能表現(xiàn)來評(píng)價(jià)的，忽略了其對(duì)環(huán)境和人類健康的長(zhǎng)期影響。加之化學(xué)家和企業(yè)把利潤(rùn)放在第一位，所以怎樣用最低的成本生產(chǎn)功能最為強(qiáng)大的產(chǎn)品一直是傳統(tǒng)化學(xué)發(fā)展的準(zhǔn)則。久而久之，公眾常將化學(xué)與有毒、污染和危險(xiǎn)聯(lián)系在一起。隨著社會(huì)各界對(duì)可持續(xù)發(fā)展問題的日益關(guān)注以及化學(xué)工業(yè)自身發(fā)展的需要，綠色化學(xué)孕育而生。1998年，Paul T. Anastas和John C. Warner出版了《Green Chemistry: Theory and Practice》一書，提出了綠色化學(xué)的“十二條原則”，對(duì)化學(xué)過程從原料、工藝到產(chǎn)品，以及涉及到的成本、能耗和安全等諸多方面都提出了要求。

過去20多年間，綠色化學(xué)的研究及應(yīng)用受到了越來越多化學(xué)家的重視，這從Green Chemistry (IF2019 9.480)、ChemSusChem (IF2019 7.962)、ACS Sustainable Chemistry & Engineering (IF2019 7.632)、Journal of Cleaner Production (IF2019 7.246)這些與綠色化學(xué)相關(guān)學(xué)術(shù)雜志逐年上漲的影響因子可見一斑。定量評(píng)估化學(xué)產(chǎn)品及其生產(chǎn)過程的綠色化程度是一項(xiàng)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程。它不僅要考慮原料是否得到有效的利用、是否可以再生，還要考慮到生產(chǎn)過程是否需要消耗大量的能源、是否需要額外的輔助物質(zhì)、是否安全可靠等因素。即使產(chǎn)品制造出來以后，還需要考慮其廢棄后是否產(chǎn)生污染、是否對(duì)人類健康有害等。

綠色化學(xué)旨在從源頭上減少?gòu)U物的產(chǎn)生和有毒有害物質(zhì)的使用，涉及到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用和廢棄的每一個(gè)階段。隨著綠色化學(xué)研究的不斷深入，多個(gè)可量化的評(píng)估綠色化程度的衡量指標(biāo)相繼出現(xiàn)。正如一句管理學(xué)格言所說“you can only manage what you can measure”，這些定義明確、簡(jiǎn)單、可測(cè)算、客觀而非主觀的量化衡量指標(biāo)，為化學(xué)家設(shè)計(jì)更加綠色、安全、環(huán)境友好的工藝和產(chǎn)品提供了標(biāo)準(zhǔn)。

目前廣泛使用的衡量指標(biāo)主要有原子經(jīng)濟(jì)性、碳效率、反應(yīng)質(zhì)量效率、環(huán)境因子、環(huán)境商值、過程質(zhì)量強(qiáng)度、生命周期評(píng)價(jià)、綠色期望水平等。盡管究竟哪一類指標(biāo)更能反映一個(gè)化學(xué)過程的綠色化程度還存在爭(zhēng)議，但毋庸置疑，這些衡量指標(biāo)都可在一定程度上為綠色化學(xué)的研究和實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。下面我們對(duì)它們分別做一個(gè)詳細(xì)的介紹。

1 原子經(jīng)濟(jì)性(atom economy，AE)

原子經(jīng)濟(jì)性考慮的是在化學(xué)反應(yīng)中究竟有多少原料的原子進(jìn)入到了產(chǎn)品之中。它通常由原子利用率(atom utilization，AU)來表示，即目標(biāo)產(chǎn)物的摩爾質(zhì)量與所有反應(yīng)物摩爾質(zhì)量之和的比值。這一概念是由美國(guó)斯坦福大學(xué)Barry M. Trost教授[7]在1991年首次提出的，他也因此獲得1998年美國(guó)“總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)”中的學(xué)術(shù)獎(jiǎng)。

原子經(jīng)濟(jì)性僅僅衡量原料中的原子轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物的情況，并不考慮產(chǎn)率(均假定為100%)、原料之間的摩爾比(均假定為1 : 1)和選擇性等情況，也不計(jì)算合成過程中使用的各類催化劑和助劑。對(duì)于一條線性的合成工藝，其原子利用率可以由最終產(chǎn)物G的分子量除以所有原料A–F的分子量總和來計(jì)算(圖1a)。而對(duì)于收斂合成的工藝，中間產(chǎn)物C、E、H、J可以完全忽略，原子利用率為最終產(chǎn)物P的分子量除以原料A、B、D、F、G、I的分子量總和(圖1b)。

從原子經(jīng)濟(jì)性的定義可以看出，在常見的各類型反應(yīng)中，加成反應(yīng)和重排反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)100%的原子利用率，而取代反應(yīng)和消去反應(yīng)都或多或少地會(huì)造成原子的浪費(fèi)。所以為了提高合成工藝的原子利用率，我們要盡可能地使用加成和重排反應(yīng)。雖然這一道理淺顯易懂，但實(shí)踐起來仍面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，α,β-不飽和酮常通過羥醛縮合或者Wittig反應(yīng)來合成，但這些都不是100%原子經(jīng)濟(jì)性的反應(yīng)。Trost等發(fā)展了一種通過末端炔烴與醛加成，然后釕催化炔醇異構(gòu)的方法，實(shí)現(xiàn)了α,β-不飽和酮的100%原子經(jīng)濟(jì)性合成(圖2)。實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的高原子經(jīng)濟(jì)性，需要化學(xué)家從化學(xué)鍵的斷裂和形成等基本科學(xué)問題著手，發(fā)展新的合成策略，這也將成為現(xiàn)代合成化學(xué)家需要時(shí)刻放在心中的指導(dǎo)方針。

2 碳效率(carbon efficiency，CE)

國(guó)際上通常用碳足跡(carbon footprint)來衡量一個(gè)組織或者產(chǎn)品釋放的溫室氣體(GHG)量，主要由每年碳排放，即碳消耗量來評(píng)估定義。化工行業(yè)的CO2排放不同于其他任何制造業(yè)，化石原料有大量的碳原子通過化學(xué)反應(yīng)進(jìn)入產(chǎn)品中。計(jì)算化學(xué)轉(zhuǎn)化過程的碳效率，是對(duì)化學(xué)原料碳足跡進(jìn)行衡量的一種量化分析方法。

碳效率定義為原料中的碳原子保留在產(chǎn)物中的比例。與原子經(jīng)濟(jì)性不同，計(jì)算碳效率時(shí)，需要考慮原料之間的摩爾比以及產(chǎn)物的產(chǎn)率。以反應(yīng)A + B → 產(chǎn)物 + 副產(chǎn)物為例，其碳效率的計(jì)算方法如下：

3 反應(yīng)質(zhì)量效率(reaction mass efficiency，RME)
反應(yīng)質(zhì)量效率也是衡量原料利用率的一種指標(biāo)，它是指有多少質(zhì)量的原料被轉(zhuǎn)化進(jìn)入了產(chǎn)物中。對(duì)于反應(yīng)A + B → C，其反應(yīng)質(zhì)量效率計(jì)算如下：

原子經(jīng)濟(jì)利用率(AU)、碳效率(CE)和反應(yīng)質(zhì)量效率(RME)都能衡量原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的比例，但三者之間在計(jì)算時(shí)略有差異。下面是芐醇與對(duì)甲苯磺酰氯反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)過程：芐醇(10.81 g，0.10 mol，分子量108.1)與對(duì)甲苯磺酰氯(21.9 g，0.115 mol，分子量190.65)在15 g三乙胺的促進(jìn)下，置于500 g甲苯溶液中反應(yīng)，以90%的產(chǎn)率得到對(duì)甲苯磺酸芐酯(23.6 g，0.09 mol，分子量262.29)。我們以此為例分別計(jì)算一下該反應(yīng)的AU、CE和RME：

4 環(huán)境因子(environmental fact，EF)

從上面計(jì)算可知，原子經(jīng)濟(jì)性、碳效率和反應(yīng)質(zhì)量效率這些衡量指標(biāo)，均未考慮反應(yīng)過程中使用溶劑甲苯和輔助試劑三乙胺的量。如果化學(xué)家只將注意力放在提高目標(biāo)產(chǎn)物的收率上，則有可能忽略減少整個(gè)工藝的環(huán)境負(fù)擔(dān)問題。根據(jù)美國(guó)化學(xué)會(huì)綠色化學(xué)研究所(ACS GCI)制藥業(yè)圓桌會(huì)議的基準(zhǔn)化分析，反應(yīng)原料僅占藥物生產(chǎn)過程中的7%，而水和溶劑的使用量分別占了32%和56% 。為了考查化學(xué)品制造全過程對(duì)環(huán)境造成的影響，1992年荷蘭代爾夫特理工大學(xué)Roger A. Sheldon提出了環(huán)境因子的概念。環(huán)境因子定義為產(chǎn)品生產(chǎn)全過程中所有廢物質(zhì)量與目標(biāo)產(chǎn)物質(zhì)量的比值。

它不僅針對(duì)副產(chǎn)物、反應(yīng)溶劑和助劑，還包括了在產(chǎn)品純化過程中所產(chǎn)生的各類廢物，例如中和反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的無機(jī)鹽、重結(jié)晶時(shí)使用的溶劑等。從化學(xué)工業(yè)相關(guān)的各個(gè)子行業(yè)來看，往往產(chǎn)品越精細(xì)，附加值越高，環(huán)境因子也越大。例如石油化工產(chǎn)品環(huán)境因子一般為0.1，大宗化學(xué)品為1–5，精細(xì)化學(xué)品大約在5–50之間，而藥品的環(huán)境因子可高達(dá)100以上。值得一提的是，在Sheldon對(duì)環(huán)境因子的定義中，水并沒有算在廢物之列，不僅是因?yàn)樗挠?jì)入會(huì)導(dǎo)致環(huán)境因子數(shù)值的大幅升高，也會(huì)使得不同工藝之間的可比性降低。

對(duì)于制藥行業(yè)而言，由于藥物結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、合成路線長(zhǎng)，通常環(huán)境因子也較高。因此，如何減少?gòu)U物中比例較高的溶劑使用量顯得尤為重要。一個(gè)成功的例子是輝瑞公司研發(fā)的治療男性勃起功能障礙的藥物西地那非(商業(yè)名Viagra®)，于1998年獲FDA (美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局)批準(zhǔn)上市。該藥物1990年在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段時(shí)，每合成1 kg產(chǎn)品，要使用1300 L的溶劑，其中絕大部分是高毒性的二氯甲烷和丙酮。1997年藥物上市前，其商業(yè)化的合成路線將每公斤產(chǎn)品的溶劑量降低至22 L，并將二氯甲烷和丙酮替換成了毒性較低的2-丁酮和乙酸乙酯。未來輝瑞公司的目標(biāo)是通過溶劑回收等手段，把溶劑的使用量控制在4 L?kg−1 。

聲明：本文所用圖片、文字來源《大學(xué)化學(xué)》，版權(quán)歸原作者所有。如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)等問題，請(qǐng)與本網(wǎng)聯(lián)系

相關(guān)鏈接：綠色，原子，質(zhì)量