2014年美國總統綠色化學挑戰獎簡介

吳恒源，葉君，熊犍

（華南理工大學輕工與食品學院，廣東 廣州 510640）

2014年10 月18 日（美國東部時間）美國環保局（EPA）在其官網上公布了2014年美國總統綠色化學挑戰獎的獲獎名單。

本文介紹2014年5 個獎項的得主及其成果。

1 學術獎（Academic Award）

威斯康星大學-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年學術獎。

氧化反應廣泛應用于有機合成中。氧化劑決定氧化反應的條件、選擇性、產率及副產物的分離，通常昂貴、有毒且難回收。而空氣中的氧氣是易得、最廉價和最環保的氧化劑，但是因為其安全性差和反應選擇性低，很少在實際生產中使用。工業界只能選用高毒性的化學氧化劑，或選用總產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：用環境友好的氧氣作為氧化劑來代替危險的化學品氧化劑。該法具有反應條件溫和、選擇性高的特點，并進行了工業化試驗；即使在具有復雜結構單元的藥物合成中也有很高的選擇性；在效益、節能、減少危險廢物排放方面很有發展潛力。

Stahl 和他的團隊從事醇的選擇性催化氧化反應研究。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、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 隨后發現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，有效簡化了產品分離。

Stahl 和同校的Root 教授與制藥公司的科學家們合作，發現了在藥物合成中，氧氣高選擇、安全和定量的氧化反應方法。如使用連續化流程，在反應器停留時間少于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品、精細化學品和專用化學品的生產中的廣泛應用打下了基礎。

2 小企業獎（Small Business Award）

Amyris 利用自己的專利菌株，工業化規模地把糖類發酵成達到石油燃料標準的可再生柴油——金合歡烷，獲得本年度小企業獎。

運輸業是美國第二大溫室氣體（GHG）排放源。為促進全球可持續發展，提供更多的工作機會，確保能源供應安全和減少GHG 排放，包括美國和巴西在內的很多國家開始了現代化大規模生物燃料的生產。

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、不能在重型柴油發動機和商業飛行器上使用。

Amyris 利用先進菌株工藝：把糖類物質轉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；種甘蔗來生產酒精，可以行駛4000 英里；但用甘蔗來生產金合歡烷，不改進的柴油車輛的動力系統，便可以行駛5500 英里。如將木質生物質轉化金合歡烷，將大大增加這個技術的效益。與EPA 基準石化柴油相比，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準，已認可在商業航空的航空燃料中添加35%的金合歡烷。Amyris 專利技術廣泛使用，有利于全球可持續發展。

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

Solazyme 公司培養的微藻可生產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植物油的性能，與傳統生產的植物油相比，微藻油不受季節、地點、原料來源影響，且性能穩定。此項技術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，植物油要經提純、分餾、蒸餾、化學改性。所得到的目標油是高耗能的和昂貴的，甚至可能產生廢棄物，還需要使用危險化學品。

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

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

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

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

大部分白色光源是基色光源和“下轉換”的磷光劑，后者能把部分或所有基色光轉變為白色光。傳統的日光燈、電致汞燈在紫外線范圍內產生基色光，而磷光劑（燈泡內壁的白色粉末）把紫外線轉變為白光。發光二極管（LED）類似地產生藍色的基色光，而磷光劑將部分光轉變為白色的光。但是，LED磷光劑發射的光譜過寬，導致光的質量和發光效率相互影響。因此，顯示器不能兼顧色彩和效率。低發光效率意味著需要更多的LED 燈來達到相同的亮度，從而導致高成本和更大的能耗。

半導體納米晶體量子點技術提高了LED 燈和液晶顯示器件顏色質量和系統發光效率。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，主流產品索尼電視十個不同的型號實施這一技術。據QD Vision 公司估計，他們的產品每年在全美國范圍內減少了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節約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，但是電子設備中通過降低產生電來減少鎘排放。

5 設計更綠色化學品獎（Designing Greener Chemical Award）

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

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鍵成分，它性質穩定持久，可在生物體內積累有毒化學品（PBT），存在顯著的健康和環保隱患。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。結果，泡沫配方中的氟化表面活性劑由長鏈轉變為短鏈。為達到美國保險商實驗室（UL）162 號滅火泡沫性能標準，所用的短鏈氟化表面活性劑的量要增加大約40%。雖然在生物體內的積累和毒性有所降低，但短鏈氟化表面活性劑性質依然穩定持久，同時，也更多地釋放到環境中。

與簡單地轉變為短鏈氟化表面活性劑不同，Solberg 公司開發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的產品RF。RF 完全符合法規和現行的防火標準，同時消除了穩定持久的化學毒物。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、熄滅火災和防止復燃，這是保證消防員安全的關鍵。RF 在這些方面表現優異。

Solberg 公司提供的效果好且大大減少對環境影響的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品可撲滅“B 級”烴類燃料火災。復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 的滅火性能和防復燃能力。RF 濃縮液中的可再生碳氫化合物與衛生保健工業的同類產品相同。

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