2022年美國(guó)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)簡(jiǎn)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(guó)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(jiǎng)五個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)的獲獎(jiǎng)名單，分別為：學(xué)術(shù)獎(jiǎng)、更綠色反應(yīng)條件獎(jiǎng)、更綠色合成路徑獎(jiǎng)、小企業(yè)獎(jiǎng)以及特定環(huán)境效益-氣候變化獎(jiǎng)。這些獲獎(jiǎng)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(jiǎng)（Academic Award）

康奈爾大學(xué)Song Lin教授的團(tuán)隊(duì)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(guò)程（交叉耦合反應(yīng)），而獲得了學(xué)術(shù)獎(jiǎng)。目前，許多特定功能化學(xué)品如藥物，均需精確設(shè)計(jì)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(guò)小分子物質(zhì)的化合來(lái)制備。實(shí)現(xiàn)這個(gè)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(guò)渡貴金屬作為催化劑。

首先，Song Lin 教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(wú)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(jià)的碳或鎂電極而非過(guò)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(yàn)的電化學(xué)反應(yīng)器。該團(tuán)隊(duì)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(guò)渡貴金屬，還可以降低能耗和產(chǎn)生較少的廢棄物，對(duì)于制藥工業(yè)具有深遠(yuǎn)的影響。

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

Amgen 公司開(kāi)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(jiǎng)項(xiàng)。其生產(chǎn)的是一種用于治療特定類(lèi)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(guò)程，縮短了生產(chǎn)時(shí)間并減少大量廢溶劑的產(chǎn)生，提高了生產(chǎn)效率。同時(shí)，Amgen也對(duì)一種有害物質(zhì)實(shí)施了回收工序，生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物總量預(yù)計(jì)每年將減少高達(dá)3.17 千萬(wàn)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(guò)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(gè)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(shí)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(shí)間。Amgen使用廉價(jià)的手性池衍生試劑——二苯甲酰基酒石酸（DBTA）溶液來(lái)代替上述的反應(yīng)步驟，對(duì)工藝進(jìn)行了改進(jìn)并提高了效率。

3 更綠色合成路徑獎(jiǎng)（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(lái)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(jiǎng)。該方法通過(guò)提高反應(yīng)效率以及改進(jìn)分離和提純產(chǎn)品的方式，來(lái)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(dòng)了抗病毒藥物的研發(fā)。鑒于全世界范圍內(nèi)對(duì)抗病毒藥物的大量需求，可持續(xù)制備藥物對(duì)人類(lèi)健康和環(huán)境至關(guān)重要。默克公司LAGEVRIO（molnupiravir）一開(kāi)始是通過(guò)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(jí)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(guò)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(tái)。新方法有以下3個(gè)關(guān)鍵性突破。

（1）動(dòng)態(tài)結(jié)晶：該技術(shù)避免了低效和高能耗的結(jié)晶過(guò)程，在產(chǎn)品形成的時(shí)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(duì)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(shí)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(jí)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(jiǎng)（Small Business Award）

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

秋黏蟲(chóng)是一類(lèi)以蠶食八十余種農(nóng)作物如玉米為生的害蟲(chóng)，極具破壞性。為了控制這種害蟲(chóng)，Provivi公司研發(fā)了一種能夠針對(duì)秋黏蟲(chóng)的綠色農(nóng)藥ProviviFAW。ProviviFAW由兩種信息素組成，通過(guò)混淆雄性秋黏蟲(chóng)蛾類(lèi)來(lái)干擾秋黏蟲(chóng)的交配，從而大幅度減少下一代幼蟲(chóng)的數(shù)量，增加作物產(chǎn)量，并減少使用可能對(duì)益蟲(chóng)造成傷害的傳統(tǒng)殺蟲(chóng)劑。除了作為首款針對(duì)秋黏蟲(chóng)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(jiǎng)（Specific Environmental Benefit-Climate Change）

加州大學(xué)戴維斯分校的Mark Mascal 教授團(tuán)隊(duì)與Origin Materials 公司的執(zhí)行總裁John Bissell 及其團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)了一項(xiàng)以生物質(zhì)（如林業(yè)、農(nóng)業(yè)及城市廢棄物）來(lái)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(jiǎng)，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(xiàng)技術(shù)對(duì)環(huán)境具有積極影響，尤其是塑料工業(yè)，因?yàn)樵摷夹g(shù)制備的化學(xué)品可以同時(shí)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(shí)，限制使用化石來(lái)源材料的呼聲越來(lái)越高，并且希望推動(dòng)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(tái)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(duì)較高，限制了HMF 的使用。Mark Mascal 教授的團(tuán)隊(duì)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(kāi)始生產(chǎn)可實(shí)現(xiàn)凈零碳排放的聚對(duì)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(xiàng)技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，將對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生深遠(yuǎn)的正面影響。