2022年美國綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎簡介

饒佳瑋，葉君，熊犍

（1華南理工大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；3華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

美國環(huán)保署于2022年6月2日在其官網(wǎng)上公布了2022 年綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎五個獎項的獲獎名單，分別為：學(xué)術(shù)獎、更綠色反應(yīng)條件獎、更綠色合成路徑獎、小企業(yè)獎以及特定環(huán)境效益-氣候變化獎。這些獲獎的新技術(shù)運(yùn)用于工業(yè)中，僅2021 年就降低近10億磅有毒化學(xué)品的使用量，節(jié)約近200億加侖用水量以及減少80 億磅CO氣體的排放量（1磅＝0.454kg，1加侖＝3.785L）。

1 學(xué)術(shù)獎（Academic Award）

康奈爾大學(xué)Song Lin教授的團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了一種可以廣泛應(yīng)用于制藥工業(yè)的化學(xué)過程（交叉耦合反應(yīng)），而獲得了學(xué)術(shù)獎。目前，許多特定功能化學(xué)品如藥物，均需精確設(shè)計其分子結(jié)構(gòu)，制得具備某一特定功能基團(tuán)的大分子或復(fù)雜分子，這些復(fù)雜分子常通過小分子物質(zhì)的化合來制備。實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)的一種重要途徑，就是能夠使碳和硅分子間產(chǎn)生新鍵的交叉耦合反應(yīng)。傳統(tǒng)交叉耦合反應(yīng)需要使用一種稀有但可能具有危害的過渡貴金屬作為催化劑。

首先，Song Lin 教授團(tuán)隊開發(fā)了一系列可以將已制備的烷基鹵化物和氯硅烷的原料選擇性結(jié)合生成C—C、C—Si以及Si—Si的耦合反應(yīng)；其次，在無催化劑條件下進(jìn)行電化學(xué)耦聯(lián)C—H 功能化反應(yīng)，這些反應(yīng)均使用了廉價的碳或鎂電極而非過渡貴金屬作為催化劑；最后，制造了一種能夠與現(xiàn)有工業(yè)設(shè)備相兼容、并用于高通量實(shí)驗的電化學(xué)反應(yīng)器。該團(tuán)隊研發(fā)出了這種全新的電化學(xué)交叉耦合方法，不僅能夠避免使用過渡貴金屬，還可以降低能耗和產(chǎn)生較少的廢棄物，對于制藥工業(yè)具有深遠(yuǎn)的影響。

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

Amgen 公司開發(fā)的一種能夠更加綠色生產(chǎn)LUMAKRASTM?（sotorasib）的工藝技術(shù)獲得了該獎項。其生產(chǎn)的是一種用于治療特定類型的非小細(xì)胞肺癌的新型藥品。該工藝可以降低能耗、減少合成步驟和分離純化過程，縮短了生產(chǎn)時間并減少大量廢溶劑的產(chǎn)生，提高了生產(chǎn)效率。同時，Amgen也對一種有害物質(zhì)實(shí)施了回收工序，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄物總量預(yù)計每年將減少高達(dá)3.17 千萬磅，實(shí)現(xiàn)了sotorasib生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

LUMAKRAS（sotorasib） 是 一 種 阻 旋 異 構(gòu)（atropisomer）分子，即由于化學(xué)反應(yīng)速度限制分子中一種或多種化學(xué)鍵的旋轉(zhuǎn)而受到限制的分子，而分子中原子的空間位阻導(dǎo)致了這一速度限制。Amgen通過壓縮合成（一鍋法合成）將反應(yīng)試劑一次性全部加入反應(yīng)容器內(nèi)引發(fā)多個連續(xù)的反應(yīng)，而非在反應(yīng)容器內(nèi)進(jìn)行單一反應(yīng)，并在進(jìn)行下一步驟前分離和純化中間體，從而減少生成化學(xué)廢棄物并節(jié)約生產(chǎn)時間。在反應(yīng)中不需要P-阻旋異構(gòu)體回收利用，減少了手性色譜和重結(jié)晶分離M和P阻旋異構(gòu)分子所需要的大量溶劑和時間。Amgen使用廉價的手性池衍生試劑——二苯甲?；剖幔―BTA）溶液來代替上述的反應(yīng)步驟，對工藝進(jìn)行了改進(jìn)并提高了效率。

3 更綠色合成路徑獎（Greener Synthetic Pathways Award）

默克公司（Merck & Company, Inc.）發(fā)明了一種更加綠色的途徑來制備一種用于治療新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）的抗病毒藥物L(fēng)AGEVRIO（molnupiravir），獲得本年度更綠色合成路徑獎。該方法通過提高反應(yīng)效率以及改進(jìn)分離和提純產(chǎn)品的方式，來減少溶劑的使用、廢物排放以及能量的消耗。

COVID-19 的肆虐造成的公共健康危機(jī)推動了抗病毒藥物的研發(fā)。鑒于全世界范圍內(nèi)對抗病毒藥物的大量需求，可持續(xù)制備藥物對人類健康和環(huán)境至關(guān)重要。默克公司LAGEVRIO（molnupiravir）一開始是通過尿苷的連續(xù)五步反應(yīng)制備的。五步合成法的總得率較低，并產(chǎn)生大量的廢棄溶劑。新工藝是吸氣式生物催化級聯(lián)三步反應(yīng)，該三步工藝生產(chǎn)法的總得率較五步生產(chǎn)法提高了1.6 倍，有效減少了生產(chǎn)過程中的廢棄物，該工藝還可由豐富的化學(xué)品制備molnupiravir藥品，也為綠色核苷的合成提供了新的通用平臺。新方法有以下3個關(guān)鍵性突破。

（1）動態(tài)結(jié)晶：該技術(shù)避免了低效和高能耗的結(jié)晶過程，在產(chǎn)品形成的時候選擇性結(jié)晶，便于產(chǎn)品回收，減少了廢棄物的產(chǎn)生，并提高了產(chǎn)量。

（2）直接分離：該團(tuán)隊更換有機(jī)堿以及反應(yīng)溶劑，降低了副產(chǎn)物的生成并提高了產(chǎn)品純度，在反應(yīng)結(jié)束時加水使產(chǎn)品結(jié)晶，從而大幅度降低了有機(jī)溶劑使用以及能耗。

（3）直接使用尿嘧啶以及核糖作為構(gòu)件的新型多酶級聯(lián)的第二代合成路線，避免了使用上述構(gòu)件低效合成尿苷。

4 小企業(yè)獎（Small Business Award）

Provivi 公司因制造了ProviviFAW，一種防控秋黏蟲蛾的綠色產(chǎn)品獲本年度小企業(yè)獎。

秋黏蟲是一類以蠶食八十余種農(nóng)作物如玉米為生的害蟲，極具破壞性。為了控制這種害蟲，Provivi公司研發(fā)了一種能夠針對秋黏蟲的綠色農(nóng)藥ProviviFAW。ProviviFAW由兩種信息素組成，通過混淆雄性秋黏蟲蛾類來干擾秋黏蟲的交配，從而大幅度減少下一代幼蟲的數(shù)量，增加作物產(chǎn)量，并減少使用可能對益蟲造成傷害的傳統(tǒng)殺蟲劑。除了作為首款針對秋黏蟲的信息素產(chǎn)品外，ProviviFAW的生產(chǎn)工藝也進(jìn)行了改進(jìn)。Provivi 研發(fā)了新的反應(yīng)方法，利用發(fā)酵工藝從植物中生產(chǎn)關(guān)鍵原材料以取代石油，減少了化石基燃料的原材料以及溶劑的使用。改進(jìn)后的合成方法大大減少了水、固體和有機(jī)廢物的產(chǎn)生，并且減少了反應(yīng)步驟、所需原料和有機(jī)溶劑的數(shù)量。

5 特定環(huán)境效益-氣候變化獎（Specific Environmental Benefit-Climate Change）

加州大學(xué)戴維斯分校的Mark Mascal 教授團(tuán)隊與Origin Materials 公司的執(zhí)行總裁John Bissell 及其團(tuán)隊開創(chuàng)了一項以生物質(zhì)（如林業(yè)、農(nóng)業(yè)及城市廢棄物）來制備化學(xué)品的新型技術(shù)，獲得了本年度特定環(huán)境效益-氣候變化獎，該技術(shù)制備的產(chǎn)品可代替原本由石油路線制得的產(chǎn)品。該項技術(shù)對環(huán)境具有積極影響，尤其是塑料工業(yè)，因為該技術(shù)制備的化學(xué)品可以同時在零碳排放和可循環(huán)的前提下用于材料的生產(chǎn)。

在生產(chǎn)工業(yè)材料例如塑料時，限制使用化石來源材料的呼聲越來越高，并且希望推動可持續(xù)發(fā)展技術(shù)，尤其是那些能夠利用生物質(zhì)原料的可持續(xù)發(fā)展技術(shù)。5-羥甲基糠醛（HMF）作為一種生物基平臺分子成為研究熱點(diǎn)，然而該分子只能從糧食，如谷物的果糖中提取，其制備成本相對較高，限制了HMF 的使用。Mark Mascal 教授的團(tuán)隊發(fā)明了一種在兩相反應(yīng)器內(nèi)將碳水化合物酸性消化的工藝，直接由生物質(zhì)原材料高效率制備5-氯甲基糠醛（CMF）。CMF 較HMF 具有更多功能，可替代多種原本由石油制備的化學(xué)品。例如Origin Materials 研發(fā)了一種生物質(zhì)的商業(yè)化生產(chǎn)工藝，用于從CMF開始生產(chǎn)可實(shí)現(xiàn)凈零碳排放的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET塑料）以及相關(guān)產(chǎn)品。該新型工藝技術(shù)用生物質(zhì)原料替代石油，當(dāng)該項技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，將對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生深遠(yuǎn)的正面影響。