回到那个化学让生活更美好的年代，那时的承诺不是一个苦涩的讽刺，尼龙长袜取代了丝绸，冰箱取代了冰柜，美国人越来越依赖人造材料。今天，我们触摸的几乎所有东西——服装、家具、地毯、橱柜、灯泡、纸张、牙膏、婴儿牙胶、iPhone，等等——都是合成的。工业化的有害副作用——雾霾、超级基金场地、汞污染的鱼等等——通常似乎是必要的代价。
但在 20 世纪 90 年代初，一小群科学家开始以不同的方式思考。他们问道，为什么我们在如此多的制造过程中依赖有害物质？毕竟，化学反应在自然界中不断发生，在我们自己的身体内就发生了数千次，没有任何有害的副产品。也许，这些科学家得出结论，问题在于化学家没有受过训练去思考他们发明的产品的后果。也许化学之所以有毒，仅仅是因为没有人尝试让它不具有毒性。他们将这种新的理念称为“绿色化学”。
绿色化学家使用传统化学的所有工具和训练，但他们不是最终产生必须事后处理和控制的毒素，而是旨在创造完全避免危害问题的工业流程。 其口号是“本质安全”。
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没有污染的进步可能听起来完全不现实，但企业正在将绿色化学付诸实践。购买、储存和处置有害化学品成本很高，因此使用更安全的替代品是有道理的。大型公司——孟山都、陶氏、默克、辉瑞、杜邦——以及一些初创公司已经在应用绿色化学技术。已经有数百项创新，从更安全的乳胶漆、家用清洁产品和保鲜膜，到用玉米淀粉制成的纺织品，以及通过破坏有害昆虫的生命周期来选择性起作用的杀虫剂。调查人员还开发了更清洁的咖啡脱咖啡因方法、干洗衣服、制造聚苯乙烯泡沫鸡蛋盒以及生产诸如 Advil、Zoloft 和 Lipitor 等药物的方法。
在过去的 15 年中，绿色化学的发明使有害化学品的使用量减少了 5 亿多公斤。这听起来很棒，但当您考虑到美国每天生产或进口约 335 亿公斤化学品时，就显得微不足道了。绿色化学的史册中充满了疯狂、引人入胜的故事，比如一个将缅因州每年收获的卖不出去的土豆变成可生物降解塑料的计划。尽管如此，在该短语被创造出来十年后，绿色化学专利在化学密集型行业的专利中所占比例不到 1%。
绿色化学要超越众所周知的沧海一粟，摆脱充满有毒污泥的局面，需要付出什么代价？一些专家认为，答案是政府干预——不仅是禁止有害化学物质的法律，还包括要求化学品制造商公开安全数据并让市场发挥其余作用的法律。“目前，制造椅子、汽车或口红的公司不知道他们纳入产品中的哪些化学品是安全的，”加州大学伯克利分校的环境健康科学家迈克尔·威尔逊说。“一旦这些信息公开，就会出现对毒性较小成分的需求。”
这个问题——是否需要监管——分裂了绿色化学倡导者群体。一些人反对强制推行绿色化学：他们认为，其原则如此明智且具有成本效益，以至于工业界会自愿实施它们。另一些人，例如威尔逊，则不同意。他断言，关键是“美国根本的化学品政策改革”。
现在是关键时刻：经过数十年的不作为，美国政府终于开始更积极地审查常见化学品的健康影响。上个月在美国参议院公布的雄心勃勃的《安全化学品法案》将要求所有工业化学品都必须证明是安全的，这将为开发危害较小的替代品创造强大的动力。总统癌症小组本月早些时候发布了一份具有里程碑意义的报告，谴责了诸如食品和家用产品中的双酚 A 等致癌化学物质造成的“严重危害”。
利害攸关，比大多数人意识到的要高。制造我们世界中流通的 80,000 种化学品的公司很少被要求进行安全测试，而政府机构相对无能为力。“这非常令人震惊，因为大多数人认为有人在检查市场上销售的东西。我洗发水里的成分？我孩子玩具里的成分？没有人负责？这就是答案：总的来说，没有人负责，”位于华盛顿特区的国际环境法中心 (CIEL) 的高级政策顾问达里尔·迪茨说。
“如果我们继续作为一个以合成化学品为基础的工业社会，我们就必须找到解决这些问题的方法。这绝对没有疑问，”位于宾夕法尼亚州费城的化学遗产基金会环境政策专家乔迪·罗伯茨说。“我认为这就是一些人感到沮丧的地方，因为它需要更快地发生。”
绿色化学的开端
也许没有人比约翰·华纳在绿色化学上投入更多。他和绿色化学的联合创始人，现在是环保署研究与开发办公室助理署长的保罗·阿纳斯塔斯一起，帮助创建了一个联邦奖励计划，将该领域带入主流。他和阿纳斯塔斯实际上写了这本书：《绿色化学：理论与实践》，华纳称之为“分子层面的操作指南”。在书中，他们为化学家建立了 12 项指导原则，如通过将尽可能多的使用材料纳入最终产品来防止浪费，以及选择最简单的反应。
十二年前，47 岁的华纳放弃了在宝丽来的高薪工作，创立了美国第一个绿色化学博士课程。2007 年，他厌倦了讲授绿色化学是未来的浪潮，他决定证明这一点，在马萨诸塞州威尔明顿创立了一家初创公司，华纳巴布科克绿色化学研究所。他的公司拥有 20 多名才华横溢的年轻科学家，是一家创造力工厂。他们正在研究各种项目：一种能量消耗较低的太阳能电池板制造方法、一种针对发展中国家的廉价水净化装置，以及可以替代活体动物进行毒性测试的模仿眼睛和肝脏组织的材料。
一些工作是基础研究。华纳的核心技术之一基于胸腺嘧啶，它是 DNA 的四个碱基之一。当暴露在光线下时，胸腺嘧啶分子会相互连接；由于这种反应可能有害（想想：皮肤癌），许多生物体拥有负责破坏这些键的酶。如果将胸腺嘧啶放入一种物质中并将其暴露在光线下，它会变硬；应用酶，它会再次变软。无毒性，具有许多潜在应用。华纳实验室的一位科学家正在利用这项技术在不使用腐蚀性化学物质的情况下烫发——只需将卷曲的发丝涂上胸腺嘧啶基聚合物，然后照射光线即可将其固定到位。该技术还可以充当印刷电路板制造过程中的掩蔽技术。或者想象一下真正可回收的塑料，可以在用户将其丢弃后返回到其原材料。
这种实用的愿景是华纳成长的产物。他在马萨诸塞州昆西长大，这是一个波士顿南部一个艰难的工人阶级城镇，他没有摆脱当地的方言。“我是一名化学家。我制造分子，”他说，就好像他也可以很容易地建造房屋或发动机一样。他穿着格子衬衫和磨损的运动鞋，看起来更像那种汽车发出奇怪的嘎嘎声时你会把车送到他那里的人。华纳的叔叔是西西里移民，从事建筑和石材切割工作，他认为他的蓝领出身与他目前经营的 40,000 平方英尺的高科技实验室之间没有脱节。“我的叔叔们手指少了一半。我很尊重这一点——用你的双手做事，创造东西，”他说。“我觉得我正在用双手工作，只是方式不同。”
对化学家来说，原子就像许多乐高积木，可以随意排列和重组。这里添加一个羟基，那里添加一个磷酸盐，并与其他各种化学物质反应，以获得所需的颜色、硬度、透明度或其他特性。“如果我们能绘制一个分子，如果它不违反某些基本定律，我们可能就能制造它，”华纳说。
但是，化学是在人们没有考虑环境影响的时候发明的。原材料通常来源于化石燃料。将它们转化为所需的产品可能是一个多步骤的过程，其中涉及有害的试剂（与目标材料反应的化学物质）和溶剂（为反应发生提供环境的液体或气体）。反应通常会产生更多不需要的化学物质而不是需要的化学物质。例如，在制造药物时，每生产一磅药物，最终都会产生 25 到 100 磅的废物，这并不罕见。
绿色化学从植物或微生物等可再生资源入手，回收其试剂，使用危害较小的溶剂，并简化复杂的过程。例如，2006 年，辉瑞公司改变了其神经疼痛药物 Lyrica 的制造方式，用两种植物基酶代替了常用的金属催化剂雷尼镍。该过程现在在室温下和水中进行，只需 4 个步骤而不是 10 个步骤，并且已将废物和能源使用量削减了 80% 以上。
为什么这么慢？
绿色化学是优雅的。它是明智的。它有可能改善公共卫生并促进经济发展。但如果每个人都喜欢绿色化学——科学家、环保主义者、政治家、企业领导人——那么为什么它没有取得更大的成功？经过 15 年的创新，化学工业仍然像以往一样有毒。那些在纳米技术上投入大量资金的政客在绿色化学上投入的资金却少得可怜。培养化学家的大学仍然不要求学生修读一门毒理学课程。绿色化学远未成为家喻户晓的短语。
许多观察家认为答案很明确：需要更多的监管。“思考这个问题的一个方法是问自己：‘政府的目的是什么？为什么不是所有事情都由自愿买卖双方之间的交换完成？’答案当然是，很多需要做的重要事情不会自愿完成，”纽约州特洛伊市伦斯勒理工学院的政治科学家爱德华·伍德豪斯说。“这既需要胡萝卜，也需要大棒。”威尔逊和他在伯克利的同事们正是按照这个原则行事的；他们帮助制定了美国第一部绿色化学法律，该法律于 2008 年在加利福尼亚州颁布。这些法律要求该州识别、优先处理并采取行动应对受关注的化学品，鼓励更安全的替代品，并向该州的商业机构和公众提供危害信息。
华纳完全赞成透明化，但他本人也是一位化学家，他知道他的同事们是怎么想的，他担心如果绿色化学成为强制性的，工业化学家会误解它，认为它是一个政策专家的提议，而事实上它是一门建立在传统化学核心原则之上的坚实科学。华纳赞成“制造更好的捕鼠器”的理念：通过制造不仅更安全而且有效且经济的替代品来进行绿色化学，化学公司会积极采用它们。
但其他人坚持认为，在像陶氏和埃克森美孚这样的重量级企业被迫承认其化学品的危害之前，开发清洁替代品的小公司将无法竞争。“一些学者说，‘如果我们有足够的学生和研究经费，那么美好的新物质就会从我们的实验室涌出，全世界都会蜂拥而至’，”CIEL 的迪茨说。“但是，如果没人能区分绿色分子和有毒分子，那么更安全的产品几乎不可能打入市场。”
伍德豪斯说，没有冲突和愤怒，就不会发生如此巨大的转变。普通人需要了解并关心化学危害，才能向商业和政治领导人施压，要求做出改变。“大多数人不知道他们家里的许多东西对他们来说是危险的，”他说。“我认为，对于良性化学转型的迫切需求还没有得到有效的宣传。”
此外，即使科学家们提出了无毒、节省成本的技术，它们也并不总是能见到光明。重新设计工厂的前期费用往往会掩盖潜在的长期节省。“你的工厂被设置为不停运转。任何停机时间，即使以后会为你节省一百万美元，现在也会让你损失钱，”化学遗产组织的罗伯茨说。
华纳担心的是，当政府走在科学前面时，这种努力往往会适得其反。“该禁令会说，‘使用现有最佳技术’。如果现有最佳技术很糟糕，那么该禁令就成了使用该技术的许可证，”他说。“你不能立法发明，只能鼓励它。”
然而，另一方面是，有时当政府走在科学前面时，科学会急于赶上。这种情况发生在 20 世纪 90 年代中期，当时化学公司罗门哈斯得知一项关于禁用锡基船用油漆的禁令正在制定中。锡基油漆多年来一直用于船体，因为它们可以阻止藤壶、藻类、细菌和其他不需要的搭便车生物的生长。但是锡是有毒的，它正在鱼类、海鸟和其他动物体内积累。日本在 1992 年禁止了锡基油漆，其他国家也准备效仿。罗门哈斯从未生产过船用油漆的成分，如果没有即将到来的禁令，它不会尝试，因为锡基油漆制造商主导了市场。但是，罗门哈斯已经有一种具有防霉作用的化学物质，可以用作木材防腐剂。通过调整该活性成分，公司科学家开发出了 Sea-Nine，一种通过与海洋生物自身的化学物质发生反应来杀死它们的化学物质，在此过程中会分解成无害的成分。
无论如何，改变世界观需要时间。全球变暖花了二十年或更长时间才获得任何认真的关注。现在，它被视为发展经济全新领域的机会：替代能源。随着对更清洁产品的需求推动创新，绿色化学也可能发生同样的情况。
每个人都同意的是，最终，绿色化学原则必须如此融入主流化学，以至于这个术语失去其意义。具有讽刺意味的是，当绿色化学消失时，我们就会知道它已经成功了。“当从幼儿园学生开始的所有人都理解它时，我们就不再需要绿色化学领域了，”华纳说。“这就是我的目标，让它成为每个人看待科学的方式。”
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绿色化学入门
为了解释绿色化学的目标，约翰·华纳使用了工具箱的比喻。化学工业“工具箱”的抽屉里装的不是扳手、螺母和螺栓，而是常用的工艺，例如制造碳化合物或氧化还原反应的方法。这些工艺中的大多数都涉及有害化学物质。绿色化学家的目标是创建一个装满危害性较小的替代品的新工具箱，以便将来化学家着手设计分子时，他们能够找到良性的工具来完成这项工作。
以下是一些有望进入绿色化学工具箱的有前景的新技术。
TAMLs：这么说可能不太好听，TAML 是四氨基大环配体的缩写，但这些看似无害的化学物质可以分解各种顽固的污染物，包括农药、染料和工业径流。TAML 由匹兹堡卡内基梅隆大学的化学家 Terrence Collins 开发，它模仿我们体内为抵抗有毒侵害而进化出的酶。Collins 和他的团队花了二十年的时间开发出这些较小、易于构建的生物酶版本。当与过氧化氢结合时，TAML 通过破坏其化学键来中和许多污染物。
非共价衍生化：非共价衍生化是华纳长期以来的热情所在（他的车牌上写着“NCD”），它是一种轻触式化学。共价键是连接原子并将分子结合在一起的强连接。通常，当化学家对他们正在创造的分子中的某些方面不满意时，他们会通过破坏或添加共价键来改变其结构。这种变化可能涉及多个步骤和有害成分。华纳的突破在于提出有时没有必要创造一个新分子。只需将现有分子与另一种与之相互作用的物质结合，它们之间的瞬时力就可以产生所需的变化。“它们无需能量就能相互找到并形成，”他说。“为什么一堆脂质会折叠起来形成细胞膜？为什么 DNA 会形成双螺旋结构？它总是这些弱的分子结构。”
液态二氧化碳：我们大多数人都知道二氧化碳是一种气体（我们呼出它）或固体（想想：造雾机中的干冰）。但是当你将二氧化碳置于压力下时，它会变成液体。液态二氧化碳是通常用于脱咖啡因咖啡的有害溶剂的良性替代品。只需将其与生咖啡豆混合，然后释放压力即可。二氧化碳会蒸发，留下一堆白色粉末——咖啡因。对脏衣服做同样的事情，你就可以提取油脂和污垢，而无需使用臭名昭著的干洗化学物质全氯乙烯。