化学家们一致认同，为了未来能更绿色和更可持续化，减少对贵金属使用依赖是必要的。随着各种催化剂的发展，许多廉价金属表现出了强大的催化性能，一定程度上可作为贵金属催化剂的替代。
然而，使催化剂更加绿色可持续，只考虑地球丰产金属（廉价金属）来替代贵金属的做法是不够的。[1]
过去几十年里，过渡金属催化得到了快速的发展，在合成化学、药物化学和药物研发中发挥着巨大的作用。其中如铑催化不对称氢化，钌催化烯烃复分解和钯催化偶联反应，因为获得诺贝尔化学奖而最为人们熟知。我们可以发现，贵金属在过渡金属催化中占据着重要地位。
然而，贵金属不仅价格昂贵而且有着高碳足迹的缺点。根据2014年的一项研究，每千克金属钯从开采到提炼需要30000美元，对应的二氧化碳释放量为3880千克。[2]全球变暖、空气和水污染以及毒性中都可以看到钯金属的身影，很大程度上来自开采钯和生产钯催化剂有关的排放和污染。与之形成鲜明对比的是，金属镍每千克低于16美元，生产过程释放6.5千克二氧化碳。
正因如此，为了追求可持续性和经济效益，越来越多人将视线转移到廉价金属上。
但真的用廉价金属替换就能绿色和可持续吗？
催化剂用量也很关键
化学家们在做合成时一般使用1-5%的催化剂量，但贵金属经常在极低的浓度下依然起作用，比如有些宣称“无金属”的反应往往最后证明是被痕量的钯污染了。
Bruce Lipshutz是加州大学圣芭芭拉分校的教授，他就非常推崇减少催化剂用量。他认为，将少量的钯催化剂与水作为溶剂相结合，是做偶联反应最绿色的方法。
最新的一篇文章，比较了两个不同条件下反应的可持续性数据（life-cycle assessment LCA）。其中一个使用1%的镍催化在2-甲基四氢呋喃溶剂中进行，另一个是钯催化剂用量不到0.05%的水相中。[3]作者坚信，两者中，水相中的钯催化反应远比有机相中的镍催化反应更绿色，一是钯催化剂用量更有优势，二是水相更有优势。其实，在偶联反应中，其他金属催化如镍，也只是作为钯催化的补充，并不能做到完全替代。
另外，使用过多的金属催化剂，在后续纯化过程也会需要额外的移除操作。比如，很多药物是不能含有金属的。一项研究表明，金属盐的毒性取决于许多变量，包括形态、氧化态和附着的配体等。而一些镍、铜化合物残余与类似的贵金属毒性一样大，有时甚至更大。
配体
合适的配体往往是反应成功的关键，复杂的配体意味着更多的花费和更高的碳足迹。理想的情况就是使用廉价的金属（或减少贵金属的用量）和廉价的配体。
归根结底，绿色化学就是好化学，有用的化学，它能帮我们绿色可持续地实现有意义的转化。想在，我们的问题已经从以前的“我们能否合成”到“我们能否有效合成”逐渐过渡到”我们能否绿色可持续地合成“了。
参考
1.https://cen.acs.org/synthesis/catalysis/elements-green-catalyst/102/i5?sc=240219_sc_eng_tw_cen
2.https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0101298
3.https://chemrxiv.org/engage/chemrxiv/article-details/65c1857de9ebbb4db9bff80f
【竞赛报名/项目咨询请加微信：mollywei007】
