2022年美国绿色化学挑战奖简介

饶佳玮，叶君，熊犍

（1华南理工大学轻工科学与工程学院，广东 广州 510640；2广西大学轻工与食品工程学院，广西 南宁 530004；3华南理工大学食品科学与工程学院，广东 广州 510640）

美国环保署于2022年6月2日在其官网上公布了2022 年绿色化学挑战奖五个奖项的获奖名单，分别为：学术奖、更绿色反应条件奖、更绿色合成路径奖、小企业奖以及特定环境效益-气候变化奖。这些获奖的新技术运用于工业中，仅2021 年就降低近10亿磅有毒化学品的使用量，节约近200亿加仑用水量以及减少80 亿磅CO气体的排放量（1磅＝0.454kg，1加仑＝3.785L）。

1 学术奖（Academic Award）

康奈尔大学Song Lin教授的团队发现了一种可以广泛应用于制药工业的化学过程（交叉耦合反应），而获得了学术奖。目前，许多特定功能化学品如药物，均需精确设计其分子结构，制得具备某一特定功能基团的大分子或复杂分子，这些复杂分子常通过小分子物质的化合来制备。实现这个目标的一种重要途径，就是能够使碳和硅分子间产生新键的交叉耦合反应。传统交叉耦合反应需要使用一种稀有但可能具有危害的过渡贵金属作为催化剂。

首先，Song Lin 教授团队开发了一系列可以将已制备的烷基卤化物和氯硅烷的原料选择性结合生成C—C、C—Si以及Si—Si的耦合反应；其次，在无催化剂条件下进行电化学耦联C—H 功能化反应，这些反应均使用了廉价的碳或镁电极而非过渡贵金属作为催化剂；最后，制造了一种能够与现有工业设备相兼容、并用于高通量实验的电化学反应器。该团队研发出了这种全新的电化学交叉耦合方法，不仅能够避免使用过渡贵金属，还可以降低能耗和产生较少的废弃物，对于制药工业具有深远的影响。

2 更绿色反应条件奖（Greener Reaction Conditions Award）

Amgen 公司开发的一种能够更加绿色生产LUMAKRASTM™（sotorasib）的工艺技术获得了该奖项。其生产的是一种用于治疗特定类型的非小细胞肺癌的新型药品。该工艺可以降低能耗、减少合成步骤和分离纯化过程，缩短了生产时间并减少大量废溶剂的产生，提高了生产效率。同时，Amgen也对一种有害物质实施了回收工序，生产过程中产生的废弃物总量预计每年将减少高达3.17 千万磅，实现了sotorasib生产的可持续发展。

LUMAKRAS（sotorasib） 是 一 种 阻 旋 异 构（atropisomer）分子，即由于化学反应速度限制分子中一种或多种化学键的旋转而受到限制的分子，而分子中原子的空间位阻导致了这一速度限制。Amgen通过压缩合成（一锅法合成）将反应试剂一次性全部加入反应容器内引发多个连续的反应，而非在反应容器内进行单一反应，并在进行下一步骤前分离和纯化中间体，从而减少生成化学废弃物并节约生产时间。在反应中不需要P-阻旋异构体回收利用，减少了手性色谱和重结晶分离M和P阻旋异构分子所需要的大量溶剂和时间。Amgen使用廉价的手性池衍生试剂——二苯甲酰基酒石酸（DBTA）溶液来代替上述的反应步骤，对工艺进行了改进并提高了效率。

3 更绿色合成路径奖（Greener Synthetic Pathways Award）

默克公司（Merck & Company, Inc.）发明了一种更加绿色的途径来制备一种用于治疗新型冠状病毒肺炎（COVID-19）的抗病毒药物LAGEVRIO（molnupiravir），获得本年度更绿色合成路径奖。该方法通过提高反应效率以及改进分离和提纯产品的方式，来减少溶剂的使用、废物排放以及能量的消耗。

COVID-19 的肆虐造成的公共健康危机推动了抗病毒药物的研发。鉴于全世界范围内对抗病毒药物的大量需求，可持续制备药物对人类健康和环境至关重要。默克公司LAGEVRIO（molnupiravir）一开始是通过尿苷的连续五步反应制备的。五步合成法的总得率较低，并产生大量的废弃溶剂。新工艺是吸气式生物催化级联三步反应，该三步工艺生产法的总得率较五步生产法提高了1.6 倍，有效减少了生产过程中的废弃物，该工艺还可由丰富的化学品制备molnupiravir药品，也为绿色核苷的合成提供了新的通用平台。新方法有以下3个关键性突破。

（1）动态结晶：该技术避免了低效和高能耗的结晶过程，在产品形成的时候选择性结晶，便于产品回收，减少了废弃物的产生，并提高了产量。

（2）直接分离：该团队更换有机碱以及反应溶剂，降低了副产物的生成并提高了产品纯度，在反应结束时加水使产品结晶，从而大幅度降低了有机溶剂使用以及能耗。

（3）直接使用尿嘧啶以及核糖作为构件的新型多酶级联的第二代合成路线，避免了使用上述构件低效合成尿苷。

4 小企业奖（Small Business Award）

Provivi 公司因制造了ProviviFAW，一种防控秋黏虫蛾的绿色产品获本年度小企业奖。

秋黏虫是一类以蚕食八十余种农作物如玉米为生的害虫，极具破坏性。为了控制这种害虫，Provivi公司研发了一种能够针对秋黏虫的绿色农药ProviviFAW。ProviviFAW由两种信息素组成，通过混淆雄性秋黏虫蛾类来干扰秋黏虫的交配，从而大幅度减少下一代幼虫的数量，增加作物产量，并减少使用可能对益虫造成伤害的传统杀虫剂。除了作为首款针对秋黏虫的信息素产品外，ProviviFAW的生产工艺也进行了改进。Provivi 研发了新的反应方法，利用发酵工艺从植物中生产关键原材料以取代石油，减少了化石基燃料的原材料以及溶剂的使用。改进后的合成方法大大减少了水、固体和有机废物的产生，并且减少了反应步骤、所需原料和有机溶剂的数量。

5 特定环境效益-气候变化奖（Specific Environmental Benefit-Climate Change）

加州大学戴维斯分校的Mark Mascal 教授团队与Origin Materials 公司的执行总裁John Bissell 及其团队开创了一项以生物质（如林业、农业及城市废弃物）来制备化学品的新型技术，获得了本年度特定环境效益-气候变化奖，该技术制备的产品可代替原本由石油路线制得的产品。该项技术对环境具有积极影响，尤其是塑料工业，因为该技术制备的化学品可以同时在零碳排放和可循环的前提下用于材料的生产。

在生产工业材料例如塑料时，限制使用化石来源材料的呼声越来越高，并且希望推动可持续发展技术，尤其是那些能够利用生物质原料的可持续发展技术。5-羟甲基糠醛（HMF）作为一种生物基平台分子成为研究热点，然而该分子只能从粮食，如谷物的果糖中提取，其制备成本相对较高，限制了HMF 的使用。Mark Mascal 教授的团队发明了一种在两相反应器内将碳水化合物酸性消化的工艺，直接由生物质原材料高效率制备5-氯甲基糠醛（CMF）。CMF 较HMF 具有更多功能，可替代多种原本由石油制备的化学品。例如Origin Materials 研发了一种生物质的商业化生产工艺，用于从CMF开始生产可实现净零碳排放的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET塑料）以及相关产品。该新型工艺技术用生物质原料替代石油，当该项技术规模化应用于工业生产中，将对生态环境产生深远的正面影响。