绿色化学由 Paul Anastas 和 John Warner 在 1998 年定义，是最大限度地减少或消除有害物质的使用和产生的化学产品和工艺的设计。它与环境修复（清理污染）不同，它侧重于分子水平上的污染预防。该领域围绕 12 条原则组织起来，为可持续化学实践提供了框架。这些原则涉及化学品生命周期的所有阶段，从原材料选择到合成、加工和报废处理。

12 条原则

绿色化学的12条原则是：（1）预防——预防浪费胜于在废物形成后对其进行处理或清理； (2) 原子经济——合成方法应最大限度地将所有起始原料纳入最终产品中； (3) 危险性较低的化学合成——方法应使用和产生毒性最小的物质； (4) 设计更安全的化学品——产品应有效，同时尽量减少毒性； (5) 更安全的溶剂和助剂——辅助物质应该是不必要的或无害的； (6) 能源效率设计——应尽量减少能源需求，并优先考虑环境温度和压力； (7) 可再生原料的使用——原材料应该是可再生的而不是消耗性的； (8) 减少衍生物——应尽量减少不必要的衍生化（封闭基团、保护/去保护）； (9) 催化作用——催化试剂优于化学计量试剂； (10)降解设计——产品在使用后应分解为无毒物质； (11) 污染防治的实时分析——分析方法应能够实现实时、过程中的监测； (12) 本质上更安全的化学——物质及其形式应尽量减少发生事故的可能性。

原子经济和电子因素

原子经济性通过计算所需产物中保留的起始材料的百分比来衡量化学反应的效率：“原子经济性=（所需产物的MW /所有反应物的Σ MW）×100％”。例如，传统合成布洛芬的原子经济性约为40%，而改进的绿色合成通过消除化学计量试剂和不必要的步骤，实现了近100%的原子经济性。 E 因子（环境因子）是另一个关键指标，定义为每质量产品产生的废物质量：“E 因子 =（废物总质量）/（产品质量）”。由于多步合成和广泛的纯化，制药行业通常具有较高的 E 因子（25-100 千克废物/千克产品），而散装化学品的 E 因子较低（< 5）。这两个指标都推动优化朝着更可持续的流程发展。

更环保的溶剂和反应介质

溶剂在化学制造过程中产生的废物和环境影响中占很大一部分。水是理想的绿色溶剂——无毒、不易燃、丰富且廉价——但其对有机化合物的有限溶解度带来了挑战。超临界 CO2（scCO2，高于 31°C 和 73 atm）是一种多功能替代品，具有可调节的溶剂特性，用于脱咖啡因、干洗和作为反应介质。离子液体（低于 100°C 时呈液态的盐）的蒸气压可以忽略不计，可用于溶解特定的底物，但必须仔细评估其毒性和生物降解性。溶剂选择指南（例如来自辉瑞、葛兰素史克和赛诺菲）将溶剂从推荐的（水、乙醇、乙酸乙酯）到危险的（苯、氯仿、己烷）进行了排名，帮助化学家选择更环保的选择。

催化和生物催化

催化是绿色化学的核心，因为它可以减少能源需求、最大限度地减少浪费并实现选择性转化。催化试剂（酶、有机催化剂、金属络合物、多相催化剂）的使用消除了化学计量副产物。生物催化已成为一种特别强大的绿色技术：酶在温和条件下（水、环境温度/压力）运行，具有高度选择性（化学选择性、区域选择性和立体选择性），并且可生物降解。定向进化（例如，2018 年诺贝尔奖授予弗朗西斯·阿诺德）极大地扩展了酶催化反应的范围，使得以前无法实现的药物和精细化学品的合成成为可能。例子包括使用转氨酶工业生产西他列汀（一种糖尿病药物）和使用酮还原酶合成阿托伐他汀。

可再生原料和工艺强化

从石油原料转向可再生原料是绿色化学的一个主要目标。生物质——包括纤维素、木质素、淀粉和植物油——为生产化学品、聚合物和燃料提供了可再生碳源。人们正在探索二氧化碳作为生产尿素、甲醇、环状碳酸酯和聚碳酸酯的 C1 原料。工艺强化技术进一步减少对环境的影响。微波辅助合成提供快速、均匀的加热，通常将反应时间从几小时缩短到几分钟，同时产率更高。超声波引起空化，产生加速反应的局部热点。与间歇式反应器相比，流动化学（连续处理）改善了传热和传质，能够更安全地处理危险中间体，并有助于扩大规模。

工业示例

几个具有里程碑意义的绿色化学过程在实践中证明了这些原则。布洛芬的绿色合成（BHC工艺）采用以氟化氢为催化剂和溶剂（可回收）的三步催化工艺，取代了六步化学计量路线，实现了99%的原子经济性。使用工程大肠杆菌从葡萄糖合成己二酸取代了使用硝酸氧化环己烷的传统工艺，后者会产生 N2O（一种强效温室气体）。用于纸浆的表面活性剂改性漂白剂的开发消除了氯基漂白及其有毒副产品。这些例子表明，绿色化学不仅对环境有益，而且往往具有经济优势，可以降低废物处理成本、能源消耗和原材料需求。