2014年美國總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎簡介

吳恒源，葉君，熊犍

（華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東 廣州 510640）

2014年10 月18 日（美國東部時間）美國環(huán)保局（EPA）在其官網(wǎng)上公布了2014年美國總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎的獲獎名單。

本文介紹2014年5 個獎項的得主及其成果。

1 學(xué)術(shù)獎（Academic Award）

威斯康星大學(xué)-麥迪遜分校的Stahl 教授因改進催化方法，將氧氣作為氧化劑用于有機氧化合成，獲得2014年學(xué)術(shù)獎。

氧化反應(yīng)廣泛應(yīng)用于有機合成中。氧化劑決定氧化反應(yīng)的條件、選擇性、產(chǎn)率及副產(chǎn)物的分離，通常昂貴、有毒且難回收。而空氣中的氧氣是易得、最廉價和最環(huán)保的氧化劑，但是因為其安全性差和反應(yīng)選擇性低，很少在實際生產(chǎn)中使用。工業(yè)界只能選用高毒性的化學(xué)氧化劑，或選用總產(chǎn)率低的多步氧化合成路線來提高選擇性。

Stahl 教授改進的催化方法：用環(huán)境友好的氧氣作為氧化劑來代替危險的化學(xué)品氧化劑。該法具有反應(yīng)條件溫和、選擇性高的特點，并進行了工業(yè)化試驗；即使在具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)單元的藥物合成中也有很高的選擇性；在效益、節(jié)能、減少危險廢物排放方面很有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

Stahl 和他的團隊從事醇的選擇性催化氧化反應(yīng)研究。2011年，Hoover 博士提出：在室溫下，用一 價 銅 鹽 和 TEMPO （ 2 ， 2 ， 6 ， 6-tetramethylpiperidinyl-N-oxyl）做催化劑，氧氣高選擇性將伯醇氧化成醛。該方法可用于含有手性活性醇、非手性活性醇、雜環(huán)、含氮和硫的官能團醇類，并可以在不保護的仲醇分子中只氧化伯醇。其研究生Steves 隨后發(fā)現(xiàn)在更大范圍和能更有效地選擇性氧化伯醇、仲醇的新催化體系。該催化體系不用含氯化合物作溶劑，有效簡化了產(chǎn)品分離。

Stahl 和同校的Root 教授與制藥公司的科學(xué)家們合作，發(fā)現(xiàn)了在藥物合成中，氧氣高選擇、安全和定量的氧化反應(yīng)方法。如使用連續(xù)化流程，在反應(yīng)器停留時間少于5 分鐘，氧氣即可將乙醇高選擇性氧化為乙醛，且產(chǎn)量接近理論計算量。

這些研究為氧氣作為氧化劑在藥物化學(xué)品、精細化學(xué)品和專用化學(xué)品的生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

2 小企業(yè)獎（Small Business Award）

Amyris 利用自己的專利菌株，工業(yè)化規(guī)模地把糖類發(fā)酵成達到石油燃料標(biāo)準(zhǔn)的可再生柴油——金合歡烷，獲得本年度小企業(yè)獎。

運輸業(yè)是美國第二大溫室氣體（GHG）排放源。為促進全球可持續(xù)發(fā)展，提供更多的工作機會，確保能源供應(yīng)安全和減少GHG 排放，包括美國和巴西在內(nèi)的很多國家開始了現(xiàn)代化大規(guī)模生物燃料的生產(chǎn)。

以酒精和生物柴油（脂肪酸甲酯）為代表的第一代生物燃料特有的局限性包括：與汽油量的混合量低、抗低溫性能差、不能在重型柴油發(fā)動機和商業(yè)飛行器上使用。

Amyris 利用先進菌株工藝：把糖類物質(zhì)轉(zhuǎn)化為碳氫化合物金合歡烯，而不是酒精。金合歡烯可氫化為金合歡烷，是一種可再生、可與石化柴油和航天燃料混合使用的燃料。一公頃的土地種大豆生產(chǎn)的第一代生物柴油可以讓一輛公交車行駛600 英里；種甘蔗來生產(chǎn)酒精，可以行駛4000 英里；但用甘蔗來生產(chǎn)金合歡烷，不改進的柴油車輛的動力系統(tǒng)，便可以行駛5500 英里。如將木質(zhì)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化金合歡烷，將大大增加這個技術(shù)的效益。與EPA 基準(zhǔn)石化柴油相比，金合歡烷具有不含硫和微粒、更高十六烷值和低溫性能，還可以減少82%的GHG排放。

2014年6 月，ASTM 修訂的航空燃料的標(biāo)準(zhǔn)，已認(rèn)可在商業(yè)航空的航空燃料中添加35%的金合歡烷。Amyris 專利技術(shù)廣泛使用，有利于全球可持續(xù)發(fā)展。

3 更綠色的合成路線獎（ Greener Synthetic Pathways Award）

Solazyme 公司培養(yǎng)的微藻可生產(chǎn)滿足顧客訂單需要的植物油，這些植物油能夠達到或超過傳統(tǒng)植物油的性能，與傳統(tǒng)生產(chǎn)的植物油相比，微藻油不受季節(jié)、地點、原料來源影響，且性能穩(wěn)定。此項技術(shù)獲得本年度更綠色的合成路線獎。

幾千年來，人類一直使用12 種天然的甘油三酯植物油，包括棕櫚油、大豆油、花生油、玉米油、橄欖油、葵花油和椰子油等。作為食物、能源和化學(xué)品的原料。但是，這些油不適用于某種特殊用途。為得到特殊用途的油，植物油要經(jīng)提純、分餾、蒸餾、化學(xué)改性。所得到的目標(biāo)油是高耗能的和昂貴的，甚至可能產(chǎn)生廢棄物，還需要使用危險化學(xué)品。

Solazyme 公司認(rèn)識到菜油、大豆、棕櫚和椰子中產(chǎn)油的路徑來自于微藻，便利用微藻的產(chǎn)油能力開發(fā)了一個通過發(fā)酵技術(shù)來生產(chǎn)油的方法。他們將藻類的產(chǎn)油機制和基因工程技術(shù)結(jié)合，可生產(chǎn)多品種的甘油三酯油，并顯著減少產(chǎn)油時間。Solazyme公司從數(shù)以萬計的微藻中篩選出可以產(chǎn)生獨特油品的微藻，所產(chǎn)的油具有優(yōu)良的物理和化學(xué)性質(zhì)，減少釋放揮發(fā)性有機物（VOA）和廢物。

目前，Solazyme 公司正進行測試和商業(yè)銷售推廣能用于包括食品、燃油、家庭和個人護理及工業(yè)產(chǎn)品中的油。在巴西，與Solazyme 公司合資的工廠生產(chǎn)的油比目前的甘油三酯油有更低的碳、水足跡，對環(huán)境的影響更小。

4 更綠色反應(yīng)條件獎（ Greener Reaction Conditions Award）

2014年度的更綠色反應(yīng)條件獎授予QD Vision公司，以表彰其更綠色的量子點合成法生產(chǎn)高效顯示器件和照明產(chǎn)品。

大部分白色光源是基色光源和“下轉(zhuǎn)換”的磷光劑，后者能把部分或所有基色光轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨?。傳統(tǒng)的日光燈、電致汞燈在紫外線范圍內(nèi)產(chǎn)生基色光，而磷光劑（燈泡內(nèi)壁的白色粉末）把紫外線轉(zhuǎn)變?yōu)榘坠?。發(fā)光二極管（LED）類似地產(chǎn)生藍色的基色光，而磷光劑將部分光轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨墓?。但是，LED磷光劑發(fā)射的光譜過寬，導(dǎo)致光的質(zhì)量和發(fā)光效率相互影響。因此，顯示器不能兼顧色彩和效率。低發(fā)光效率意味著需要更多的LED 燈來達到相同的亮度，從而導(dǎo)致高成本和更大的能耗。

半導(dǎo)體納米晶體量子點技術(shù)提高了LED 燈和液晶顯示器件顏色質(zhì)量和系統(tǒng)發(fā)光效率。QD Vision公司用長鏈碳氫化合物來代替烷基膦和烷基膦氧化物溶液；用較低毒前體來代替高毒的有機鎘和有機鋅；把離心分離改為過濾，節(jié)約了時間和能量，減少浪費；同時提高材料的性能。2013年，主流產(chǎn)品索尼電視十個不同的型號實施這一技術(shù)。據(jù)QD Vision 公司估計，他們的產(chǎn)品每年在全美國范圍內(nèi)減少了4 萬加侖的高毒性溶劑和100 千克鎘廢物。

若兩億臺電視機（相當(dāng)于10%的市場份額）使用QD Vision 公司的色彩IQTM 組件，每年可在全球范圍內(nèi)節(jié)約6 億千瓦時的電量——足夠滿足5 萬戶的美國普通家庭日常供電。盡管QD Vision 公司的量子點法仍然使用鎘，但是電子設(shè)備中通過降低產(chǎn)生電來減少鎘排放。

5 設(shè)計更綠色化學(xué)品獎（Designing Greener Chemical Award）

Solberg 公司發(fā)明高效濃縮、不含鹵素的RE-HEALINGTM（RF）泡沫滅火劑，獲2014年設(shè)計更綠色化學(xué)品獎。

泡沫滅火劑是通過泡沫悶熄和冷卻燃料火焰來阻燃的。長鏈的含氟化表面活性劑是滅火泡沫的關(guān)鍵成分，它性質(zhì)穩(wěn)定持久，可在生物體內(nèi)積累有毒化學(xué)品（PBT），存在顯著的健康和環(huán)保隱患。長鏈的氟化表面活性劑為其中的“活性成分”。

2006年，由于長鏈的氟化表面活性劑屬于PBTs，EPA 開始限制使用。結(jié)果，泡沫配方中的氟化表面活性劑由長鏈轉(zhuǎn)變?yōu)槎替湣檫_到美國保險商實驗室（UL）162 號滅火泡沫性能標(biāo)準(zhǔn)，所用的短鏈氟化表面活性劑的量要增加大約40%。雖然在生物體內(nèi)的積累和毒性有所降低，但短鏈氟化表面活性劑性質(zhì)依然穩(wěn)定持久，同時，也更多地釋放到環(huán)境中。

與簡單地轉(zhuǎn)變?yōu)槎替湻砻婊钚詣┎煌琒olberg 公司開發(fā)了一系列的不含鹵素的泡沫濃縮劑。通過幾年的研究和滅火測試，完善了與氟化表面活性劑性能等同的、甚至在很多情況下更優(yōu)的產(chǎn)品RF。RF 完全符合法規(guī)和現(xiàn)行的防火標(biāo)準(zhǔn)，同時消除了穩(wěn)定持久的化學(xué)毒物。而且RF 是一種非常有效的泡沫滅火濃縮劑，可以撲滅火焰、控制火勢、熄滅火災(zāi)和防止復(fù)燃，這是保證消防員安全的關(guān)鍵。RF 在這些方面表現(xiàn)優(yōu)異。

Solberg 公司提供的效果好且大大減少對環(huán)境影響的RF 泡沫濃縮劑，采用非氟化表面活性劑和糖類的混合物代替氟化表面活性劑，即RF 濃縮劑是碳氫化合物表面活性劑、水、溶劑、糖類、防腐劑和緩蝕劑的混合物。以1%、3%或6%的濃縮劑為配方的產(chǎn)品可撲滅“B 級”烴類燃料火災(zāi)。復(fù)雜碳水化合物的存在，較含氟泡沫顯著地提高泡沫吸收熱量的能力，這將提高RF 的滅火性能和防復(fù)燃能力。RF 濃縮液中的可再生碳氫化合物與衛(wèi)生保健工業(yè)的同類產(chǎn)品相同。

RF 可在28 天降解93%，42 天內(nèi)完全降解，在目前的泡沫滅火系統(tǒng)中，只需要換掉氟化表面活性即可使用。