——2004年美国总统绿色化学挑战奖成果介绍
公布每年的美国总统绿色化学挑战奖成果,对绿色化学研究、推动化学化工等领域的安全与环保工作的具有重要的启发和指导意义,本文分别介绍2004年获奖的公司与个人的绿色化学成就。
一、更新合成路线奖
荣获该奖的是Bristol-Myers Squibb(BMS百时美-施富宝)公司,其获奖成就为“Taxol(R)通过植物细胞发酵与提取制备的绿色合成工艺的开发”。在美国国家癌症研究所(NCI)资助下,抗癌药Taxol(R)的活性成分Paclitaxel(C47H51NO14紫杉醇,即国内通常所说的Taxol,但Taxol实际上是BMS公司的注册商标),在20世纪60年代晚期被Wall和Wani首次从稀有的太平洋红豆杉短叶紫杉的树皮中分离、鉴定出来。
20世纪80年代, 紫杉醇在临床试验中被证实具有治疗卵巢癌等癌症的特殊功效,但其供给的连续性不能得到保证,因为紫杉树皮仅含有0.0004%的紫杉醇， 紫杉醇的分离需要剥去红豆杉的树皮,从而*死了整株红豆杉,而一棵红豆杉需要200年才能长大、成熟。因此,从红豆杉剥皮提取紫杉醇将导致一个脆弱、敏感的生态系统的破坏。为了获得紫杉醇这一珍贵的抗癌药,人们开始考虑对其进行化学合成。然而, 紫杉醇分子结构的复杂性使得从简单化合物用化学合成方法进行其商业化生产不切实际。已经发表的合成研究工作表明, 紫杉醇的全合成大约需要40步,总收率仅2%。1991年,NCI与BMS公司签署了合作研究与开发协议,BMS公司同意由红豆杉树皮确保紫杉醇的供给,但其从天然存在的化合物10-deacetylbaccatin III(10-DAB)出发,开发了紫杉醇的半合成工艺。10-DAB存在于欧洲红豆杉浆果紫杉(Taxusbaccata)的叶和嫩枝中,含量(干重)达0.1%,而且其采集、分离不会危及红豆杉的生存,但10-DAB却含有紫杉醇分子的结构复杂性中最主要的部分8个手性中心。不仅如此,浆果紫杉在全欧洲广泛种植,因此能持续供给而不会对敏感的生态系统产生任何不利的影响。尽管如此,该半合成工艺仍然复杂、对环境有一定的影响,因为其需要11步化学转变和7次分离纯化,需要13种溶剂、13种有机试剂和其他原料。
因此,BMS公司使用最新的植物细胞发酵(PCF)技术,开发了更符合可持续发展要求的新工艺。在新工艺的细胞发酵阶段,控制一定的条件,在常温常压下,一个特殊的紫杉细胞愈合组织在一个全水相的大发酵箱中繁殖。细胞生长所需的原料是可再生的营养物,如糖类、氨基酸、维生素和微量元素等。BMS公司直接从植物细胞培养液中提取紫杉醇,接着通过色谱法纯化,并结晶分离出纯品。由于用植物细胞繁殖代替了红豆杉叶和嫩枝,BMS公司提高了紫杉醇持续性供给的能力,全年随时可以收获紫杉醇,并减少了纯生物质资源的浪费。与由10-DAB半合成方法相比,PCF工艺没有化学转变,因此减少了6个中间体和10种溶剂。在第一个5年生产期间,预计PCF工艺将会少用32吨有害的化学品和其他原料。另外,PCF工艺减少了6个干燥步骤,节省了相当可观的能源。
抗癌药是生物医学界永远热门的研究领域，既能解决病痛又对环境不会造成污染的制造方法才是真正成功的方法，生产Taxol(R)的绿色工艺技术正是结合上述优点而获得殊荣的。这一成果在前述系列之三中已经做了简单介绍。
二、改进溶剂和反应条件奖
荣获该奖的是Buckman实验室国际股份有限公司,其获奖成就为“新型促进纸张循环利用的Optimyze(R)酶技术”。尽管纸张来自于可再生资源,但其仍然是掩埋垃圾废物的主要贡献者之一, 因此循环利用纸制品是保护我们环境的重要组成部分。经过不断的努力,目前美国使用的纸和硬纸板,已经大约一半是回收再用的。但是,理论上讲,纸可以循环使用无数次。难以多次循环利用的原因是,一些纸张含有黏合剂、涂料、塑料和其他原料等导致粘性污染物的成分,在纸张循环利用过程中带来了许多严重的问题。首先,这些被造纸业称为“粘胶”的污染物,在以循环利用原料生产纸制品时,会产生斑点和孔洞,破坏纸制品表面,使其质量降低。当生产必须停止以清洗设备时,“粘胶”污染物也浪费了许多制造业资源。有资料显示,该行业仅生产停工期的代价,每年至少５亿美元。来自于Buckman实验室国际股份有限公司的Optimyze(R)技术,是一个全新的处理有关“粘胶”污染问题的方法,它使用一种新颖的酶去排除以循环利用原料造纸过程中共同的问题。纸张上“粘胶”污染物的主要成分是聚乙烯基乙酸酯或其类似物,而Optimyze(R)含有一种酯酶（esterase）,它能催化这类聚合物的水解,使其成为没有粘性的、水溶性的聚乙烯醇。通过发酵, Optimyze(R)酶可以由一种细菌大量生产。作为蛋白质,这种酶是可以完全生物降解的。与传统处理方法中的溶剂相比,其毒性大大减小,更加安全。不仅如此, Optimyze(R)的制造仅需要可再生资源即可。因此, Optimyze(R)技术非常环保。 自2002年5月以来, Optimyze(R)已经商品化上市。很短时间内,至少40家造纸厂转向Optimyze(R)技术使用循环利用纸生产纸制品。美国一家工厂采用Optimyze(R)技术后,每天少用200加仑溶剂,每年少用约60万磅化学品,而生产增加了6%。因此,仅这一家工厂,总计每年从中收益达1百万美元。这个新的酶技术,不仅促进了包括薄餐纸、毛巾纸、瓦楞纸板箱等在内许多纸制品的生产,也提高了纸制品的质量和造纸的效率,大大地缩短了清洗设备的停工期。 因此,更多的纸张可以循环利用,并且以前不可循环利用的高废纸也可以利用。同时,采用Optimyze(R)技术的造纸厂已经可以大大减少危险溶剂的使用。
三、设计更安全化学品奖
荣获该奖的是Engelhard公司,获奖成就为“环保优质的有机颜料Engelhard RightfitTM”。传统上,基于铅、铬(VI)、镉的无机颜料占据着红色、橙色、黄色等色彩市场。然而,当美国环保署(EPA)开始管制重金属的使用时,色彩配方设计师纷纷将目光投向高性能的有机颜料,以取代重金属颜料。 高性能有机颜料满足了性能要求,但在以下方面付出了代价:①它们高昂的成本对于色彩反复调配是一个巨大的阻碍;②它们的生产过程使用了大量的有机溶剂;③一些有机颜料的生产需要大量的多聚磷酸,使工厂排出物中含有磷酸盐;④一些有机颜料是以二氯对二氨基联苯或多氯代苯为基础进行生产的。 Engelhard公司已经开发出大批环境友好的RightfitTM偶氮颜料,它们包含有代替重金属的 钙和锶(有时为钡)。RightfitTM颜料在环境影响、色彩种类、性能特征和性价比等方面,都名副其实地“恰好满足要求”。1995年,当Engelhard公司生产了650万磅重金属颜料后,已经开始转产RightfitTM偶氮颜料。2002年,Engelhard仅生产了120万磅重金属颜料,他们预计在2004年使其逐渐完全淘汰。 RightfitTM颜料代替了过去由镉、铬(VI)、铅等制造的镉黄、铬黄等颜料,减少了人类健康和环境因暴露而受重金属威胁的危险。它们的结构、物理性质与广泛使用的食品着色剂类似,因此毒性研究表明它们仅具有极低的潜在毒性。加上它们极低的迁移可能性,这些使大多数的Right2fitTM颜料已经被美国食品与医药管理局(FDA),以及加拿大健康保护部门批准,可间接食 品接触应用。 另外,这些颜料水相下制备,排除了多氯中间体和传统高性能颜料制造时有关有机溶剂暴露的可能性。RightfitTM颜料还具有可分散性良好、热稳定性提高、色强度改善等其他优点,因此尽管使用较少的颜料,它们较高的色强度可以达到相同的色彩。RightfitTM颜料的颜色种类也很多,从紫色到绿色、黄色都有。由于化学性能相近,这些颜料都相互兼容,因此两种或更多可以联合使用达到任何所需的中间色调。值得注意的是,RightfitTM颜料具有比高性能有机颜料低廉的成本,却满足了其精华的性能要求。这样,色彩配方设计师能以合适的代价获得合适的性能,使RightfitTM颜料有稳定增长的市场需求,为食品、饮料、石油产品、清洁剂和其他家庭耐用品等的市场包装,提供了环境友好的、附加值高的色彩来源。
四、绿色化学学术奖
荣获该奖的是乔治亚州技术学院(GeorgiaInstituteofTechnology)的教授CharlesA.Eckert和CharlesL.Liotta,他们的获奖成就为“联结反应与分离过程的友好可调溶剂”。任何化学工程都包括反应和分离两个过程,并且通常使用相同的溶剂,但只是对反应过程是最佳的。事实上,分离过程往往占用了60%～80%的生产成本,而且差不多都会带来较大的环境影响。传统的反应和分离过程经常是分开设计的,但Eckert和Liot2ta教授通过一系列新颖的、环境友好的、可调的溶剂将它们结合起来,创造了一个可持续发展的范例,使溶剂友好和性能提高达到统一。 超临界二氧化碳(scCO2)、近临界水和CO2 膨胀液,都是可调的环境友好溶剂,它们为作为替换溶剂提供了许多难得的机会因为它们通常显示出比气态更好的溶解性能,比液态更好的传送性能;而且随着温度、压力、组成等热力学条件的微小变化,它们的性能有本质的改变;它们也有巨大的环境优势,有利于人类健康、预防污染和最大程度地减少废物排放。Eckert和Liotta教授的研究小组成功地将分离过程与反应过程协同、有机地结合起来,达到了溶剂友好、废物排放最小化和性能提高的目的。 他们使用scCO2去调节反应平衡和速率、提高反应的选择性和消除废物排放,是第一个使用scCO2和相转移催化剂去洁净、经济地分离产物的人。他们的方法可以使催化剂有效地循环利用,并且已经证明,许多相转移催化剂应用于化学工业和制药工业中的重要反应(包括手性合成),都是可行的。 他们也用近临界水代替传统的有机溶剂进行了许多合成反应,包括使用近临界水分裂的酸催化和碱催化作用,避免额外酸或碱催化剂的加入,以免去后面原有的中和与盐处理步骤。他们还使用二氧化碳去溶胀有机流体,使相转移催化剂、手性催化剂和酶等均相催化剂的循环利用更加容易;使用可调的友好溶剂去设计合成,通过循环利用使废物排放最小化,并且工艺的经济核算证明具有工业化的前景。
五、小企业奖
荣获该奖的是Jeneil生物表面活性剂公司,其获奖成就为“天然低毒的合成表面活性剂替代品鼠李糖脂生物表面活性剂”。作为能降低水表面张力的化学品,表面活性剂被广泛应用于肥皂、洗衣粉、洗碟液、洗发精等日常生活中,以及润滑剂、乳液聚合、纺织品整理、矿业絮凝、废水处理等其他重要领域。 目前,绝大部分表面活性剂是以石油为原料生产的。2000年,全球化学表面活性剂的消耗量估计大约1800万t,其中许多引起了严重的环境危机。因为它们在水或土壤中不能完全被生物降解,会生成有害的化合物。 Jeneil生物表面活性剂公司成功生产了系列鼠李糖脂生物表面活性剂产品,第一次使它们工业技术上、经济上可行。这些生物表面活性剂产品具有良好的乳化、湿润、去垢、起泡等性能,这些优良的品质使它们能胜任各种各样的应用,但它们的毒性极低,而且易于生物降解,不会留下有害的或永久性的降解产品。 鼠李糖脂生物表面活性剂是一种天然的细胞外糖脂类化合物,存在于土壤和植物上。在控制需氧发酵的条件下,Jeneil公司使用特殊的土壤细菌假单胞菌aeruginosa进行这种生物表面活性剂的商业化生产。*菌消毒和离心分离之后,生物表面活性剂从发酵液体培养基中重新获得,接着按各种期望的应用标准进行纯化。 与传统合成的或源自石油的表面活性剂相比,鼠李糖脂生物表面活性剂是一类毒性较小、更加环境友好的替代品。不仅如此,鼠李糖脂生物表面活性剂的整个生命周期也是比较“绿色”的。生物表面活性剂的生产使用无害的、可再生的原料,而且需要的资源较少,生产过程比较简单、成本低、耗能少,无需使用和处理危险的物质。 目前,一些鼠李糖脂生物表面活性剂已经应用于消费者个人清洁用品和隐形眼镜清洗液,以及作为农业*真菌剂的活性成分。这些生物表面活性剂也对排除有害的环境冲击和补救环境污染 非常有效。例如,鼠李糖脂生物表面活性剂能促进土壤中烃类或重金属的去除、清洗原油罐和修复煤泥,通常有利于大量烃类化合物的再生。 在许多应用中,这些生物表面活性剂都能取代不太环境友好的合成的或源自石油的表面活性剂。另外,当它们与许多合成的表面活性剂一起作用时,鼠李糖脂生物表面活性剂具有优良的协同效应,而且在配方组成中能大大减少合成表面活性剂成分的用量。 尽管鼠李糖脂生物表面活性剂是重要的研究开发目标,但它们以前仅在实验室中被小批量地生产。目前,Jeneil生物表面活性剂公司,以及协作的相关公司(如Jeneil生物技术有限公司),通过开发有效的菌种、廉价高效的工艺和工业化规模生产的装置,实现了鼠李糖脂技术的商业化,位于威斯康星州Saukville的Jeneil产设备已经投入了表面活性剂的生产。
结束语
分析2004年度的美国总统绿色化学挑战奖的研究内容和思考方法,发现有以下2个方面值得关注: (1)本届授予的5个奖项中,有3个与生物技术密切相关。因此,在化学、化工研究中,注重加强与生命科学、生物技术的结合,势在必行,但是目前化学化工界缺乏与生命科学、生物技术界(特别是酶、微生物技术方面)的沟通,精通生物化工、化学生物学方面的人才也很短缺。 (2)Engelhard公司开发的环境友好Right2fitTM偶氮颜料,起初的设计思想是其结构、物理性质与广泛使用的食品着色剂类似,因此它们仅具有极低的潜在毒性,使其不仅符合环保的要求,而且应用的范围很广。可见,化学品设计时如果安全性先放在较高的位置(食品级),其成功后绿色化的概率必然提高。这种思想值得化学化工工作者深思,但国内这些方面的尝试不多。
