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2019-08-01Green ChemisTREE：根據12項原則紮根20年 588 期

Author 作者廖美儀、何峰毅、杜晉瑋／國立屏東大學應用化學系。

美國化學家安那史塔斯（Paul Anastas）與華納（John Warner）提出「綠色化學12項原則（The twelve principles of green chemistry）」後，使得相關子領域開始出現在毒理學、工程學和其他學科上，目前已有超過300篇以綠色化學為主題的國際論文與評論文章，每篇文章至少被引用超過100次以上。

綠色化學基金會（The Green ChemisTREE Foundation）的目標之一，是描述綠色化學領域的歷史和現狀，透過探索每個原則中的發展，用可靠的例子總結綠色化學的好處、討論可用工具和指標、衡量綠色化學進展，並概述該領域知識差距、機遇和挑戰，同時鼓勵現有從業人員開拓其他具有潛力的未來。以下，筆者將以綠色化學12項原則作為討論的框架。

原則1：防廢
Prevention
設計化學合成方法，以預防取代廢物處理。

化學廢物是一種嚴重的經濟、環境和社會虧損，即使是技術先進的國家，每年也要花費約10億美元的成本處理廢物，且還會對生態系統、周圍社區和民眾健康產生影響。防止浪費是綠色化學的基石，化學家對原料、反應途徑、保護基團（protective group）和催化劑等的選擇，都可減少廢物產生，並有助於降低成本。

典型的方法是將反應物置於反應器中多步反應的一鍋合成法（one-pot synthesis，簡稱「一鍋法」），可避免化學中間體（intermediate）的分離和純化，從而減少溶劑和分離劑的量。此外，開發和優化催化系統可提高化學反應的選擇性、降低化學藥劑使用量；化學廢料在封閉系統中回收再利用，也可以非常有效地增加廢物的價值。回收和再利用看似不經濟、需額外消耗能量，但對許多材料而言，好處還是遠大於負面影響，而此概念也可應用在化學和工程界面，產生更環保的電子產品。

原則2：物盡
Atom economy
將過程中使用的反應最大化地摻入最終產物。

有效利用原材料是預防廢物的關鍵方法，原子經濟就是建立在傳統產率概念的基礎上。化學計量和實際產量的細節，包括「實驗原子經濟性」和「百分比產率×實驗原子經濟性（％ PE EAE）」，此產率的概念是對綠色而言最簡單的估計，之後亦陸續出現其他側重於各種效率的指標，如碳效率、反應質量效率（RME）等。

另外，無保護基團的合成也帶來顯著的益處；提高效率的其中一項策略，是通過最小化反應步驟的分步合成。化學中對資源的計算，能優化合成步驟、改善原子經濟性、最小化副產物形成及執行更複雜的任務，如軟體輔助有機合成（computer-assisted organic synthesis, CAOS）模型計算可自動識別合成路徑，以滿足各種指標所定義的效率目標，唯需要多次「試誤」來增加全局最佳化（global optimization）的機會。

原則3：保安
Less hazardous chemical syntheses
設計不會對人和環境產生毒性的合成方法。

這個原則是要求化學家在評估環境和社會影響時，考慮效率以外的因素──毒性。綠色化學的基本思想之一，是通過減少危害來降低風險，而危害不僅包括毒理學，還有環境、物理和全球危害。

迄今為止，許多化學合成的問題在於「中間體」的產生，因此通常會直接讓它們被替代掉，以C─H鍵活化為例，在傳統鹵素介導官能化進行的C─H 鍵活化下，直接和選擇性過渡金屬催化劑介導的C─H 鍵活化方法，已成為更環保的替代品，因為它們可以防止有毒副產物，並具有額外的原子和步驟效率。

原則4：低毒
Designing safer chemicals
不只考慮化學產品的性能，也應減少其毒性。

當今商業中許多危險化學品，由於各種原因而沒有適合的替代品，包括缺乏替代品的毒性評估。為解決這種意想不到的後果，可以通過建立分子設計指南確定改進方向，以便在考慮性能的同時，識別危險性並提高人員在密閉操作空間的安全性。

基於結構、分子特性、化學功能和生物效應相關為前提所做的分子設計指南及其他預測毒性模型，已被使用100 多年。然而，分子設計面臨的最大挑戰之一，是解釋各種代謝過程及其產物；幸運的是，新的中高通量篩選（high-throughput screening, HTS）平台能協助解決預測毒性問題，大型體外數據庫如ToxCast 和 Tox21，也專門用來協助闡明毒性作用的模式。......【更多內容請閱讀科學月刊第588期】