2020年1月，耶魯大學綠色化學與綠色工程中心副主任朱莉 齊默爾曼（Julie B. Zimmerman）教授、綠色化學之父保羅·阿納斯塔斯（Paul T. Anastas） 、耶魯大學副教授漢諾·雷克波爾（Hanno C. Erythropel）和原《綠色化學》期刊主編沃爾特·萊特納（Walter Leitner）在《科學》上發表了他們共同撰寫的綜述「綠色化學未來的藍圖」（）。
在2020年初，這個對人類仿佛具有轉折意義的數字年份，以「綠色化學未來的藍圖」為題，深刻地描述對可持續發展綠色化學的構思與建議，並提出綠色化學的十二項原則，不得不說是具有深意的。
——華東師範大學姜雪峰教授薦讀
在可持續發展的社會中，物質基礎很大程度上取決於化工產品及其生產工藝，這些產品和工藝的設計遵循「有利於人們生活」的原則。可以從最早的階段 （即設計階段） 就開始考慮分子的固有特性，進而解決產品及其工藝重複性、危險性及穩定性等問題。未來的化工產品、原料以及製造過程需要將綠色化學和綠色工程融合到可持續發展的理念中。這一轉變需要先進的科技與創新，以及從微觀分子層面開始並在全球範圍內產生積極影響的系統思維和系統設計。
在為未來的地球進行設計時，化學領域所面臨的科學問題不再是化工產品是否必需，而是一個可持續發展的社會需要什麼樣的化工產品的特性和生產工藝？
化學具有悠久的歷史，創製了很多重要的高品質產品和工藝。當前的化工產業是一條依賴於原料的生產鏈，其原料主要是自然界中有限的化石資源。這些反應物通常反應活性較高且伴有毒性，時常會因為意外洩漏，導致工人中毒事件發生（如異氰酸甲酯在印度博帕爾發生洩漏；二噁英在美國密蘇裡州的時代海灘和義大利的塞韋索發生洩漏）。
同時，大部分生產工藝產生的廢物（通常具有毒性、持久性和生物積累性）比例甚至高於預期產品，特別是在產品複雜性增加的情況下（例如，特殊化學品產生的廢物是預計產品的5~50倍，而藥品是25~100倍）。
目標化工產品通常是按預期用途設計，通過控制生產環境來降低洩漏可能造成的危害，而這些危害又往往沒有進行過評估，這可能是由於長久以來缺乏相應的工具和模型，這一點可以從眾多意外的發生中得到證明。
鑑於化工產品不斷地為社會提供諸多便利，因此未來化工產品的設計必須包含兩個目標：
一是如何保持並改善性能，
二是如何限制或消除威脅人類社會可持續發展的有害影響。
回答以上問題是一項嚴峻的科學挑戰。
在綠色化學和綠色工程領域取得的大量科學成果表明，化工產品和生產工藝在實現更多功能的同時，是可以降低對人類社會的不利影響的。這些成功不是道聽途說，而是需要通過系統的思維體系來實現。
為了實現這一目標，不僅需要改變生產和使用化工產品的條件和環境，而且還需要改變從原料到應用的整個價值鏈中化工產品和試劑本身的固有特性。這就需要將「性能」的定義從「功能」轉變為「功能和可持續性」，這一目標只有通過掌握分子的固有特性及其變化並加以設計才能實現。
要在綜合的體系框架中進行設計和創新
在複雜體系中採用傳統的簡化方法追求可持續性的改進設計是非常具有挑戰性的。
在化工行業，簡化論者僅對功能的關注雖然在一定程度上可以延長化工產品的壽命，但其壽命結束後仍有可能存在於水中，被未獲得保護的人群接觸到；
農業化工產品，能增加農作物產量，卻導致魚類死亡和地下水水質退化；
化學物質使材料經久耐用，卻也在我們的身體和生物鏈中累積。
儘管已經有許多簡化方法失敗的案例，我們依然時常使用該框架來應對可持續性的挑戰，僅僅專注於獨立的個別指標（如溫室氣體排放、能源或淡水消耗），而不是把可持續性作為一種綜合性、體系性的多維問題。
目前，化工行業中諸多可持續發展工作的重點是通過提高效率來逐步改善產品和工藝，但這種方法是不完善的。相反，我們需要進行顛覆式的變革來應對未來可持續社會的需求。
這就要從整體統籌後提出解決方案，以確保不會產生偏差或意外。因此，傳統的簡化方法必須與綜合的體系性思維相結合，才能為未來可持續社會的設計提供指導。
例如，了解分子性能只是一個最低要求，還需要了解這種分子的潛在危害。解決單一問題的方式可能會帶來其他挑戰 （ 例如，使用生物燃料可能會增加土地的使用壓力和糧食的競爭） 。
現在有了所謂的「協同解決方案」，即協同推進多種可持續性問題的解決方案。
例如，地球上有一種含量豐富的金屬催化劑，它可以利用陽光分解水產生氫氣，實現能量儲存，又可以在氫氣燃燒後產生水用於能量的回收。
另一個例子是設計一種以「碳中性」方式生產的未來燃料，可以同時達到減少空氣汙染排放和提高發動機效率的雙重目的。
雖然有關串聯非線性問題的爭論仍在進行（例如，增加化石能源的開採→更大的淡水使用壓力→難民遷移→社會動蕩和軍事衝突），但通過「協同解決方案」的系統思考和設計有可能解決這些問題，「訥於言而敏於行」將創造事半功倍的效果（例如，利用二氧化碳將廢物轉化為原料→避免使用光氣等有毒試劑→減少二氧化碳排放→減緩二氧化碳上升水平→減緩全球氣候變化）。
將性能的定義從技術功能擴展到可持續性功能
要實現化工產業的根本性變革，需要重新定義性能的概念。
由於商業合成化學是在19世紀中葉隨著珀金紫染料的引入而開始的，所以判斷化工產品的標準一直是性能。性能幾乎被完全定義為有效完成狹義功能的能力 （例如，染料的顏色、膠水的粘力、殺蟲劑的殺蟲能力） 。
然而，只關注單一功能會造成其他不希望出現的結果。我們必須擴大對性能的定義，包括功能以外的所有方面，特別是可持續性。
這一擴展的性能定義，要求工藝設計人員對化工產品不僅要了解技術功能的機理，還要了解這些物質可能造成的危害。
這種對性能的擴展定義隱含要求了任何設計、發明和打算製造化工產品的人必須了解產品相關危害的知識，它可能是全球性的、物理上的或毒理上的危害。
在經歷了一個多世紀對人類健康和環境造成不良後果的事件或事故之後，我們仍然未將毒理學納入化學的培訓課程之中。要如同考慮化學性能一樣考慮化學危害，就需要我們的教育中設置如同技術一樣的課程來擴展功能的定義，使其包含可持續性的屬性。
性能的重新定義也直接影響化工產業的商業模式，因為戰略調整的一部分是減少所需材料的數量，從而減少對整個生態系統的潛在危害。
「F因子」部分包含了最大化性能的概念，這個概念是實現功能最大化的同時使用最少的化學物質，類似於現今摩爾定律在集成電路上的應用。
材料用量最小化的理念是為了減少原料的使用、加工和運輸中能源的消耗、廢棄物的產生、廢品的管理以及相應的危害。
這種理念也可以應用於其他業務，並將獲取利潤的方式從銷售材料本身轉變為提供相關的周邊服務 （如材料的上色、潤滑或清潔） ，同時降低危害。
這種理念轉變符合聯合國工業發展組織對「化學品租賃」的重視，即出售化學品的功能，而不是數量。
這才能在降低材料生產成本、提升材料性能的同時，實現利潤最大化與可持續發展 （圖1） 。
圖1 綠色化學的十二項原則
未來化工產品的內在屬性
未來化工產品的設計旨在減少甚至消除危險的同時保持功能的有效性。
在這裡，危害的定義是廣義的，包括物理危害 （例如爆炸和腐蝕性） 、全球性危害 （如溫室氣體和臭氧消耗） 、毒理危害 （如致癌和內分泌幹擾） 。
傳統應對危險化學品的方式通常是防止洩漏，如使用防護設備或廢氣淨化器；但當防控機制失效時，結果可能是災難性的。
而綠色化學的思路是將降低風險的重點轉移到減少危害上。
值得注意的是，危險性是化學品的固有屬性，也是設計選擇的結果。因此，有必要在深入理解分子作用機制後再設計化工產品和生產工藝，從而避免造成人類身心上的損害和對環境的破壞。
因此，對性能的擴展定義應包含化學品的功能及其固有性質，包括它們在環境中的可再生性、無毒性和可降解性。
可再生性
從化石化學到可再生化學的過渡必須在綜合的系統環境中進行周密的設計，要考慮可能因土地轉化、用水或與食品生產競爭等因素而引起的負面影響。
至關重要的是，使用良性工藝可實現向可再生原料的重要轉變，包括從線性工藝到循環工藝的轉變（圖1）。
因此，目前被認為是低價值的材料必須作為未來的可再生原料來處理。利用低價值「廢物」的例子包括將造紙廠廢物中的木質素轉化為生產香蘭素的原料，以及在聚氨酯生產中直接使用二氧化碳實現部分取代石油基環氧丙烷，這都將大大減少碳排放，同時能改善其他環境參數。
化學家需要更加深入考慮「廢物設計」問題：如何調整合成路線，儘量避免副產物的處理，或者讓副產物可用作原料（圖1）。
無毒性
無毒化工產品的設計需要通過化學、毒理學、基因組學和其他相關領域的合作來實現。有必要理解和研究潛在的分子機制，包括分子是如何在體內分布、吸收、代謝和排洩的，以及溶解度、反應性和細胞滲透性等物理化學特性如何影響這些過程。
對毒性進行預測和建模的工作正在進行中。然而，模型依賴於有限的可用毒性數據，目前美國和歐盟的一些項目正在收集這些數據。
可降解性
未來的化學物質必須設計成易降解、不破壞環境的非持久性化合物。
例如，一種對哺乳動物毒性非常低且可快速降解的殺蟲劑，是可以通過化學修飾的方法來改善其生物降解性的；部分可再生來源的琥珀酸基增塑劑可用於合成可快速降解的無毒聚氯乙烯 （PVC） 聚合物。
需要理解導致持久性的分子特徵和環境機制，才能建立預測模型。例行評估合成化合物的潛在持久性對於最終可能分布於環境中的每個（新）設計的化合物都是至關重要的（如藥品和個人護理產品）。
矛盾的是，考慮到化合物修飾、合成路線的能量消耗與分子複雜性時，穩定性可能是理想的屬性。
一個重要的考慮是評估這種「投資」是否具有增值應用，而不是簡單追求降解途徑的設計（圖2）。
圖2 化工設計決策系統
對於來源可再生、高度複雜性的分子，而這些分子又不是天然化合物，就需要通過設計重複使用或循環路線將其重新融入價值鏈中；如果分子是天然化合物，無論其複雜性如何，都具有可降解性。
利用非化石原料重新設計化工價值鏈
如今的化工產業幾乎完全依賴石油、天然氣和煤作為碳的來源。出現在20世紀下半葉的石油化工價值鏈形成了一個高度集成的網絡，有時被稱為「石油樹」（圖3）。
圖3 在嵌入式能源、嵌入式材料（包括水）、廢物產生以及環境和經濟成本方面，使用綠色的轉換方式和流程，體現出從化石資源向可再生資源轉化的優勢
石化煉油廠生產的模塊不到12個，特別是短鏈烯烴和芳烴，與合成氣體一起成為石油樹的莖，這些莖又衍生出石油樹的樹幹、樹枝和樹葉，最終形成100 000多種化學物質，構成了分子的多樣性。
石油化學的價值很大程度上來自於在分子中引入官能團的合成方法。因此，原料的可用性和所需產品的功能對化工生產路線和工藝開發有著直接的反饋作用。
合成方法的改進無疑仍將是一個主要的研究領域，對環境具有最直接的影響。由於資源的枯竭、全球氣候的變化以及產生毒副產物等問題，石油不是一個可持續發展的選擇。最終，基於非化石碳源和可再生資源的新價值鏈設計將為封閉的循環鋪平道路。這種形式的轉變，標誌著化學領域的下一次工業演變已經開始（圖3）。
可再生碳資源的利用變得具有競爭力，這需要重大的科學突破和創新，應積極研究先進的氫技術和電化學工藝來開發和利用能源。
在碳源中，木質纖維素生物質和二氧化碳是地球上最豐富的原料之一，其數量足以實現化學價值鏈的「去石油化」；再生塑料材料是循環經濟框架下另一個潛在的豐富碳源。
與僅由碳氫構成的化石資源相比，這些原料由高度氧化和「過度功能化」的分子組成。因此，它們的轉變需要新的綜合理念和方法來實現。
應對複雜性挑戰的一個選擇就是消除它。
例如，通過合成氣體中間體與費託合成技術相結合，生產出石油替代品。
因此，幾乎所有非化石原料都可以將額外的「根」添加到石油樹中；然後，「綠色碳」通過現有的所有「樹枝」和「樹葉」傳遞。此法利用已建立的知識體系和基礎設施，重組了有價值的功能。
另一策略則是利用可再生原料固有的複雜性，實現通往目標官能團分子的捷徑。
例如，在室溫下通過微生物發酵廢甘油或糖，在水中生產重要的化工產品 （如1，3-丙二醇或琥珀酸） ，這個路線正日益與多步驟的石化路線相抗衡。
類似的方法也適用於二氧化碳，它可以通過現有化工產品整合到價值鏈中。
定製的化學品和生物催化劑可以適應原料質量的變化和能源供應的波動，以及高度集成和高能效淨化工藝的發展，將成為這一發展背後的重要科學動力。
或許更有利的是，可再生原料提供了全新的化學模塊，可以推動功能的改善，且不會對人類健康和環境造成歷史性的負面影響。
例如，最近單糖衍生合成的呋喃二甲酸（FDCA）引起了人們的興趣，它可能成為新型聚酯產品（如碳酸化液體容器）的基礎材料；將二氧化碳直接納入消費產品的聚合物鏈已經實現了工業化。越來越多基於二氧化碳和氫氣與其他底物選擇性偶聯的新合成方法說明了它們在產物合成後期構建官能團的巨大潛力。
在這一領域，顯而易見的是將分子和工程科學與產品性能進行系統的整合，這將使能源和物質在化學-能源關係上的統一成為可能，並為化學與農業、鋼鐵、水泥等行業的耦合創造新的機會。
通過「反合成分析」解構高度複雜的目標分子，從而從現有的原料和合成方法中設計其合成，這是當今合成有機化學的核心支柱。
同樣的概念思路可以轉化為一種新的設計框架，用於從可再生原料合成目標產品。
結論
愛因斯坦有句名言：「問題不能在產生問題的同一意識水平上得到解決。」
我們需要的新工具、新方法包括：
掌握弱相互作用作為設計工具，正如我們已經意識到的共價鍵一樣；
設計複雜而非理想態的混合物，而不是合成單個分子來實現某種功能；
在綜合的動態現實中而不是簡單的靜態快照中了解分子；
了解與控制局部結構化學反應的遠程相互作用；
並從一系列實驗數據分析發展到對大型多樣數據集的統計挖掘。
從本質上講，「廢物」的概念必須從我們的設計框架中消失，以便我們從物質和能量流的角度進行思考。化工產品和生產工藝對生物圈和生態系統造成的危害應該被視為一個重要的設計缺陷，應該從功能和可持續性兩方面來擴展性能定義。
本文作者肖霄博士畢業於華東師範大學化學與分子工程學院，師從姜雪峰教授，現在浙江工業大學開展藥物合成工藝及不對稱催化研究。
-本文選自《世界科學》雜誌2020年第4期「專稿」-