2014年美国总统绿色化学挑战奖简介

吴恒源，叶君，熊犍

（华南理工大学轻工与食品学院，广东 广州 510640）

2014年10 月18 日（美国东部时间）美国环保局（EPA）在其官网上公布了2014年美国总统绿色化学挑战奖的获奖名单。

本文介绍2014年5 个奖项的得主及其成果。

1 学术奖（Academic Award）

威斯康星大学-麦迪逊分校的Stahl 教授因改进催化方法，将氧气作为氧化剂用于有机氧化合成，获得2014年学术奖。

氧化反应广泛应用于有机合成中。氧化剂决定氧化反应的条件、选择性、产率及副产物的分离，通常昂贵、有毒且难回收。而空气中的氧气是易得、最廉价和最环保的氧化剂，但是因为其安全性差和反应选择性低，很少在实际生产中使用。工业界只能选用高毒性的化学氧化剂，或选用总产率低的多步氧化合成路线来提高选择性。

Stahl 教授改进的催化方法：用环境友好的氧气作为氧化剂来代替危险的化学品氧化剂。该法具有反应条件温和、选择性高的特点，并进行了工业化试验；即使在具有复杂结构单元的药物合成中也有很高的选择性；在效益、节能、减少危险废物排放方面很有发展潜力。

Stahl 和他的团队从事醇的选择性催化氧化反应研究。2011年，Hoover 博士提出：在室温下，用一 价 铜 盐 和 TEMPO （ 2 ， 2 ， 6 ， 6-tetramethylpiperidinyl-N-oxyl）做催化剂，氧气高选择性将伯醇氧化成醛。该方法可用于含有手性活性醇、非手性活性醇、杂环、含氮和硫的官能团醇类，并可以在不保护的仲醇分子中只氧化伯醇。其研究生Steves 随后发现在更大范围和能更有效地选择性氧化伯醇、仲醇的新催化体系。该催化体系不用含氯化合物作溶剂，有效简化了产品分离。

Stahl 和同校的Root 教授与制药公司的科学家们合作，发现了在药物合成中，氧气高选择、安全和定量的氧化反应方法。如使用连续化流程，在反应器停留时间少于5 分钟，氧气即可将乙醇高选择性氧化为乙醛，且产量接近理论计算量。

这些研究为氧气作为氧化剂在药物化学品、精细化学品和专用化学品的生产中的广泛应用打下了基础。

2 小企业奖（Small Business Award）

Amyris 利用自己的专利菌株，工业化规模地把糖类发酵成达到石油燃料标准的可再生柴油——金合欢烷，获得本年度小企业奖。

运输业是美国第二大温室气体（GHG）排放源。为促进全球可持续发展，提供更多的工作机会，确保能源供应安全和减少GHG 排放，包括美国和巴西在内的很多国家开始了现代化大规模生物燃料的生产。

以酒精和生物柴油（脂肪酸甲酯）为代表的第一代生物燃料特有的局限性包括：与汽油量的混合量低、抗低温性能差、不能在重型柴油发动机和商业飞行器上使用。

Amyris 利用先进菌株工艺：把糖类物质转化为碳氢化合物金合欢烯，而不是酒精。金合欢烯可氢化为金合欢烷，是一种可再生、可与石化柴油和航天燃料混合使用的燃料。一公顷的土地种大豆生产的第一代生物柴油可以让一辆公交车行驶600 英里；种甘蔗来生产酒精，可以行驶4000 英里；但用甘蔗来生产金合欢烷，不改进的柴油车辆的动力系统，便可以行驶5500 英里。如将木质生物质转化金合欢烷，将大大增加这个技术的效益。与EPA 基准石化柴油相比，金合欢烷具有不含硫和微粒、更高十六烷值和低温性能，还可以减少82%的GHG排放。

2014年6 月，ASTM 修订的航空燃料的标准，已认可在商业航空的航空燃料中添加35%的金合欢烷。Amyris 专利技术广泛使用，有利于全球可持续发展。

3 更绿色的合成路线奖（ Greener Synthetic Pathways Award）

Solazyme 公司培养的微藻可生产满足顾客订单需要的植物油，这些植物油能够达到或超过传统植物油的性能，与传统生产的植物油相比，微藻油不受季节、地点、原料来源影响，且性能稳定。此项技术获得本年度更绿色的合成路线奖。

几千年来，人类一直使用12 种天然的甘油三酯植物油，包括棕榈油、大豆油、花生油、玉米油、橄榄油、葵花油和椰子油等。作为食物、能源和化学品的原料。但是，这些油不适用于某种特殊用途。为得到特殊用途的油，植物油要经提纯、分馏、蒸馏、化学改性。所得到的目标油是高耗能的和昂贵的，甚至可能产生废弃物，还需要使用危险化学品。

Solazyme 公司认识到菜油、大豆、棕榈和椰子中产油的路径来自于微藻，便利用微藻的产油能力开发了一个通过发酵技术来生产油的方法。他们将藻类的产油机制和基因工程技术结合，可生产多品种的甘油三酯油，并显著减少产油时间。Solazyme公司从数以万计的微藻中筛选出可以产生独特油品的微藻，所产的油具有优良的物理和化学性质，减少释放挥发性有机物（VOA）和废物。

目前，Solazyme 公司正进行测试和商业销售推广能用于包括食品、燃油、家庭和个人护理及工业产品中的油。在巴西，与Solazyme 公司合资的工厂生产的油比目前的甘油三酯油有更低的碳、水足迹，对环境的影响更小。

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

2014年度的更绿色反应条件奖授予QD Vision公司，以表彰其更绿色的量子点合成法生产高效显示器件和照明产品。

大部分白色光源是基色光源和“下转换”的磷光剂，后者能把部分或所有基色光转变为白色光。传统的日光灯、电致汞灯在紫外线范围内产生基色光，而磷光剂（灯泡内壁的白色粉末）把紫外线转变为白光。发光二极管（LED）类似地产生蓝色的基色光，而磷光剂将部分光转变为白色的光。但是，LED磷光剂发射的光谱过宽，导致光的质量和发光效率相互影响。因此，显示器不能兼顾色彩和效率。低发光效率意味着需要更多的LED 灯来达到相同的亮度，从而导致高成本和更大的能耗。

半导体纳米晶体量子点技术提高了LED 灯和液晶显示器件颜色质量和系统发光效率。QD Vision公司用长链碳氢化合物来代替烷基膦和烷基膦氧化物溶液；用较低毒前体来代替高毒的有机镉和有机锌；把离心分离改为过滤，节约了时间和能量，减少浪费；同时提高材料的性能。2013年，主流产品索尼电视十个不同的型号实施这一技术。据QD Vision 公司估计，他们的产品每年在全美国范围内减少了4 万加仑的高毒性溶剂和100 千克镉废物。

若两亿台电视机（相当于10%的市场份额）使用QD Vision 公司的色彩IQTM 组件，每年可在全球范围内节约6 亿千瓦时的电量——足够满足5 万户的美国普通家庭日常供电。尽管QD Vision 公司的量子点法仍然使用镉，但是电子设备中通过降低产生电来减少镉排放。

5 设计更绿色化学品奖（Designing Greener Chemical Award）

Solberg 公司发明高效浓缩、不含卤素的RE-HEALINGTM（RF）泡沫灭火剂，获2014年设计更绿色化学品奖。

泡沫灭火剂是通过泡沫闷熄和冷却燃料火焰来阻燃的。长链的含氟化表面活性剂是灭火泡沫的关键成分，它性质稳定持久，可在生物体内积累有毒化学品（PBT），存在显著的健康和环保隐患。长链的氟化表面活性剂为其中的“活性成分”。

2006年，由于长链的氟化表面活性剂属于PBTs，EPA 开始限制使用。结果，泡沫配方中的氟化表面活性剂由长链转变为短链。为达到美国保险商实验室（UL）162 号灭火泡沫性能标准，所用的短链氟化表面活性剂的量要增加大约40%。虽然在生物体内的积累和毒性有所降低，但短链氟化表面活性剂性质依然稳定持久，同时，也更多地释放到环境中。

与简单地转变为短链氟化表面活性剂不同，Solberg 公司开发了一系列的不含卤素的泡沫浓缩剂。通过几年的研究和灭火测试，完善了与氟化表面活性剂性能等同的、甚至在很多情况下更优的产品RF。RF 完全符合法规和现行的防火标准，同时消除了稳定持久的化学毒物。而且RF 是一种非常有效的泡沫灭火浓缩剂，可以扑灭火焰、控制火势、熄灭火灾和防止复燃，这是保证消防员安全的关键。RF 在这些方面表现优异。

Solberg 公司提供的效果好且大大减少对环境影响的RF 泡沫浓缩剂，采用非氟化表面活性剂和糖类的混合物代替氟化表面活性剂，即RF 浓缩剂是碳氢化合物表面活性剂、水、溶剂、糖类、防腐剂和缓蚀剂的混合物。以1%、3%或6%的浓缩剂为配方的产品可扑灭“B 级”烃类燃料火灾。复杂碳水化合物的存在，较含氟泡沫显著地提高泡沫吸收热量的能力，这将提高RF 的灭火性能和防复燃能力。RF 浓缩液中的可再生碳氢化合物与卫生保健工业的同类产品相同。

RF 可在28 天降解93%，42 天内完全降解，在目前的泡沫灭火系统中，只需要换掉氟化表面活性即可使用。