化学生活常识绿色绿色化学原子级的可持续发

化学家们以原子为基石，精心设计出适用于材料学、药物学的全新分子。然而，地球上的化学元素资源是有限的，如何避免资源的过度消耗和浪费呢？绿色化学原则为化学家们提供了指导，它促使研究者们在设计和生产新产品时，提高效率、确保安全，并尽可能地减少对环境的污染。从实验室的初步研究到工业化大规模生产，每一个环节都严格遵循这些原则。化学家们可以使用生命周期评估（LCA）的方法，在产品研发和生产过程中，对所需材料（水、能源、资源投入）以及工艺（二氧化碳等污染物）的环境影响进行全面评估。这表明，我们完全可以在保护地球生态环境的前提下，继续开展重要的科学研究和创新。

作为地球的居民，我们的行为对环境和地球上其它生物有着举足轻重的作用。然而，地球能否按照我们消耗资源的速度生产出我们需要的资源呢？我们如何确保地球资源得到公平、安全、可持续的使用呢？

可持续发展的目标是避免不可再生资源的浪费。为了留给子孙后代一个完好的地球，可持续发展至关重要。可持续发展涵盖了一系列以R开头的词汇：减少（reduce）、再利用（reuse）、修复（repair）、分解（rot）、回收（recycle）。那么，科学家如何在实验中实践可持续发展呢？

化学家通过在化学反应中形成或断开化学键，创造具有特定用途的新物质，如色彩更鲜艳的涂料、关键药物等。这些物质均包含重要元素，如碳、氮、镁、铁等。地壳和大气中分布着不同比例的化学元素，这些元素本质上是有限的资源，既无法创造，也无法销毁。如果一件产品最终被扔进了垃圾填埋场，它所包含的元素也会因此滞留、浪费掉。特别是，有些元素（如贵金属）非常难以获取：它们有的深埋地下，有的处于战争冲突地区。这些因素使得日常用品如手机、电脑的制造过程愈发复杂。

绿色化学原则绿色化学旨在实现可持续发展，保护地球及其资源，并减少原子浪费。1998年，《绿色化学的12项原则》（12 Principles of Green Chemistry）正式发布，为化学家提供了指导，以便他们能够开发出可持续的工艺和环境友好的产品[1]。图一展示了研究人员在设计新工艺时需要解决的一系列问题，涵盖了从原材料到最终产品的方方面面。这些原则分为两个大类：效率设计（design for efficiency）和环境安全设计（design for environmental safety）。

图1 - 在使用原材料制造产品的过程中，科学家们需要在各个环节处理许多问题，以确保遵循绿色化学的12项原则。

效率设计什么是效率？科学家如何衡量效率？一个高效的过程，必须在生产所需产品的同时，尽可能减少对原子、材料、能源和金钱的浪费。首先要关注的，是生产了多少产品（称为反应产率）。并非所有的化学反应都能生成100%的预期产物，部分化学反应会生成不必要的副产物（by-products），或未能完全进行反应。

有多种方法能衡量效率。从化学可持续发展的角度，人们通常关注反应过程中每个原子的变化。原子效率（atom efficiency）是将参与反应的原子数与最终产品中所含原子数进行比较，从而确定起始材料中多少比例转化为最终产品的计算方法。在化学反应中，原子可能会转变为副产物或废弃物而流失（图1中的黄色箭头）。通过提升工艺效率、减少步骤，研究人员可以降低不必要的副产物和废弃物的产生。不过，某些副产物实际上也可应用于其它的反应或用途。例如，某反应产生的副产物水蒸汽，可以用来驱动涡轮机发电，也可以冷凝成水后用于其他目的。

高效地能源利用，或者是使用太阳能、风能等可再生能源，有着重要的意义。在室温条件下且无需高压进行的反应，能耗通常较低。另一种降低化学反应所需能量的策略是运用催化剂，这类物质能帮助化学反应更容易进行。催化剂能降低反应的温度和/或时间，同时不影响最终产品的品质。然而，催化剂的原子并不属于最终产品的一部分；为了从产品中分离回收催化剂，以便循环重复使用，这个过程仍然会消耗大量的能源和资源。另外，许多常用的催化剂由稀有元素（通常是金属）制成，这些元素获取困难且价格高昂，因此应少量使用催化剂，并尽可能回收后重复使用。

即使有了上面的措施，科学家们还是希望能使用可再生的原材料，制造出可回收的产品，使得这些原子始终处于循环之中。如果一些材料使用后即被废弃，其中的元素就会被浪费、无法重复利用，迫使我们持续开采新的资源——这就是所谓的线性经济（linear economy）。与之相反的是循环经济（circular economy），其关键在于回收材料并使元素能继续重复使用。为了确保有限的资源在未来仍可利用，从线性经济向循环经济的转变至关重要。尽管植物性原材料的再生速度远超石油或天然气等矿产资源，且在生长过程中还能有效吸收大气中的二氧化碳（CO2），但要实现可持续发展的目标，我们不能简单地牺牲生产粮食的耕地来种植原材料作物，而且从植物物质中提取必要的资源也应力求简便。

环境安全设计在绿色化学中，环境安全设计原则关注化学过程各阶段对人体、野生动物和环境的影响，并将负面影响降至最低。这也包括产品在更长时间的作用，换句话说，设计产品时也要考虑到产品最终的降解过程，以将其对环境的影响降至最低。降解可以是物理降解（分解成小块）或化学降解（分解成不同的分子）；可以自然发生（如堆肥)，也可以借助外力（如熔化、研磨或化学反应）。

一个重要的安全原则是，产品及其降解产物都应是无毒的，并且不会对环境产生持久性影响。理想情况下，工艺的所有步骤以及原材料、产品和副产品都应尽可能安全无毒。通过在设计阶段对安全性进行充分考虑，我们得以规避对人类和环境所带来的潜在危害。

安全原则的另一个考量因素也包括反应过程中高温或高压所带来的风险。为了保证每个人的安全，并降低污染物生成或释放对环境造成的破坏，火灾风险、工人受伤或患病风险必须降至最低。通过在设计阶段预估产品和工艺可能带来的后果，科学家们有望在实际生产和应用之前消除或大幅减少潜在危害。借助绿色化学的12项原则[1]，科学家们正努力扭转过去的污染影响，同时防止未来污染的进一步扩大。

测量化学过程对人类和地球的影响为了了解不同化学品对人类或环境的影响，科学家们需要对不同的化学品和生成工艺进行比较，并对不同的影响和用途进行排序。借助化学品安全文件所提供的信息，科学家们可以确定哪些化学品的使用会是最可持续、最安全的选择。科学家们需要考虑：

化学品可能对人类或环境造成的危害，需要有多少化学品才能造成危害，以及如何降低使用该化学品的风险，如监测接触情况或使用个人防护设备。化学家通常会使用生产过程中的一个比值，即废物或“不需要”的副产物的产量和理想产品产量之比，来评估产品对环境的影响，这一比例称为E因子（E-factor）[2]。然而，E因子仅关注了副产物的数量，而未考虑其后果：比如，在生产过程中产生的二氧化碳（一种导致气候变化的温室气体）有多少呢？产品在环境中分解所需的时间又是多久呢？图2展示了科学家们必须考虑的产品生命周期阶段，而不仅仅是制造时所使用的化学反应。

图 2 - 产品的生命周期分为几个阶段。

出于这样的原因，科学家能够通过实施生命周期评估（lifecycle assessment, LCA）[2]，对产品进行更全面的比较。在评估产品生命周期的各个阶段时，需考虑的因素包括所需能源、用水量以及最常见的二氧化碳排放量。同时，制造过程中所用化学品的安全性及来源也要进行评估。生命周期评估使科学家们能够全面考虑和比较各个工艺阶段，以确保选择最具可持续性的工艺，这对开发大规模生产工艺时尤为重要。

总结地球的自然资源元素是有限的，我们每个人都肩负着充分利用它们的责任，同时在使用过程中尽量减轻对环境的影响和减少资源浪费。绿色化学的12项原则和生命周期评估等方法为科学家提供了工具，帮助他们在设计和进行化学反应时充分考虑可持续性，并做出明智的决定。关注过程的可持续性对当前和未来的社会至关重要：我们必须在不妨害子孙后代和地球的基础上，研发有益的技术。

参考资料[原始文章] Streets J, Johnston A, Ali H, Azim H and Licence P (2023) Green Chemistry—Sustainability at the Atom Scale. Front. Young Minds. 11:1045345. doi: 10.3389/frym.2023.1045345 [licensed under CC-BY]

[1] Anastas, P. T., and Warner, J. C. 1998. Green Chemistry: Theory and Practice. (Oxford: Oxford University Press). p. 30.

[2] Sheldon, R. A. 2017. The E factor 25 years on: the rise of green chemistry and sustainability. Green Chem. 19, 18–43. doi: 10.1039/C6GC02157C

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