受安全与可持续设计框架启发的交互式溶剂选择指南

《Green Chemistry》：An interactive solvent selection guide inspired by the safe and sustainable by design frameworkOpen Access

　　

溶剂选择是绿色化学的重要方面。现有多种溶剂选择指南根据环境影响、危害性和废弃物处理兼容性对溶剂进行排序。这些指南普遍采用表格形式，为绿色溶剂提供了有益的介绍，但无法针对每位用户的具体情况反映所产生的风险。“安全与可持续设计”（Safe and Sustainable by Design，SSbD）是一个成功的化学替代框架，鼓励按个案进行工艺再设计。研究人员开发了一个基于SSbD原则的用户自定义溶剂选择指南模板。用户定义反应、可接受的溶剂性质范围，并根据工艺设计计算健康风险。溶剂推荐基于健康、安全、环境危害、气候变化和用水影响以及预测转化率。可通过免费的在线HTML编辑器生成可定制的溶剂选择指南。

**论文解读：基于安全与可持续设计框架的交互式溶剂选择指南**

**研究背景与现存问题**
溶剂在制造业中大量使用，产生废弃物、污染并带来健康与安全风险。传统的溶剂选择指南（如GSK和CHEM21发布的指南）以多准则红-黄-绿表格形式呈现，为现代有机合成化学提供了重要工具。然而，这些指南大多基于通用危害评估，采用“一刀切”的排名方式，无法反映特定工艺和使用场景下的实际风险。近年来，尽管出现了主成分分析、人工智能和可视化工具等更复杂的溶剂选择方法，它们仍然依赖普遍化的危害评估，未能考虑用户具体工艺的暴露情景。欧洲委员会提出了“安全与可持续设计”（SSbD）框架，旨在指导化学工业向可持续转型，强调基于风险而非危害的评估，并整合环境可持续性和社会经济指标。然而，数据可用性被视为实施SSbD的障碍。因此，开发一个将SSbD原则融入其中、可快速定制以反映具体工艺风险、并与其他评估兼容的溶剂选择指南，对于现代发现化学和工艺再设计具有重要意义。

**研究内容与结论**
研究人员将SSbD框架应用于溶剂选择，开发了一个交互式在线工具，覆盖365种溶剂，并建立了包含物理性质、价格和毒理学数据的数据库。该工具允许用户定义反应条件、溶剂性质范围（如熔点、沸点、闪点、Hansen溶解度参数等），并基于职业暴露模型和风险表征比（RCR）计算健康风险，同时评估气候变化影响、淡水使用和预测转化率。溶剂按健康、安全、环境三个类别分别评为A至E级（A为高风险，E为可忽略风险），并综合给出总体排名。该工具计算快速（毫秒级），代码开源可自由修改。研究通过多个案例研究（如Michael加成、Menschutkin反应、氢化、关环复分解和热酰胺化）验证了该指南的有效性，发现其推荐的溶剂往往不同于传统指南或先前文献推荐的溶剂，更全面地平衡了反应效率、安全性和环境可持续性。结论表明，该交互式溶剂选择指南可作为早期发现化学的独立工具，但全面优化工艺安全与可持续性仍需结合其他评估工具。

**主要技术方法**
该研究采用以下关键技术方法：
1. **风险表征比（RCR）计算**：基于职业暴露模型（如REACH描述符系统）估算吸入和皮肤暴露，与实际暴露限值比较得出健康等级。
2. **环境归趋与危害评估**：根据溶剂的物理性质预测其在空气、水、土壤中的分配，结合生物降解性、生物累积性和生态毒性进行环境分级，并考虑欧盟法规（如PBT/vPvB、臭氧消耗物质）。
3. **线性溶剂化能关系（LSER）与转化率预测**：利用变量时间归一化分析（VTNA）反推反应动力学，预测特定溶剂下的反应转化率，并计算过程质量强度（PMI）。
4. **生命周期影响估算**：采用Piccinno和Ansar的能源与用水方程，结合用户自定义碳强度，计算气候变化影响和淡水使用，并考虑溶剂回收（90%效率）抵消原料影响。
5. **交互式HTML工具开发**：基于开源代码，用户可在网页端设置参数，生成个性化溶剂选择指南。样本队列来源为365种常用工业溶剂，数据来源于公开数据库和文献。

**研究结果**
**1. SSbD溶剂选择指南的构建**
研究人员将SSbD五阶段框架（安全与可持续评估）转化为可操作的溶剂选择流程。指南允许用户筛选溶剂类别（如排除特定官能团、设定沸点范围），并采用A-E等级系统。健康评分基于暴露情景（如PROC4批量合成、PROC7工业喷涂）计算RCR，例如甲乙酮（MEK）在密闭连续工艺中健康等级为D，但在喷涂场景下升至A。安全评分基于闪点和储存压力（GESTIS模型），环境评分综合环境归趋和法规限制（如PBT物质强制为A）。
**2. 通用溶剂选择指南示例**
基于PROC4情景（代表有通风橱的实验室）生成包含80种溶剂的示例指南（完整版含365种）。结果显示醇类和酯类风险较低，而烃类、卤代烃、醚类和偶极非质子溶剂中部分高风险。环境等级中，水和二氧化碳为E，而碳酸二甲酯因大气半衰期超过21天阈值被评为A。
**3. 案例研究：Michael加成**
以丙二酸二甲酯与反式查尔酮的反应为例，排除反应性溶剂并设定沸点50-120°C和极性条件后，仅12种溶剂通过筛选。在低暴露情景（PROC15）下，所有溶剂健康等级均为D；安全方面除1,1,1-三氯乙烷（不闪燃）外均为B；环境等级差异大，乙腈为D，环戊基甲醚（CPME）为B，1,1,1-三氯乙烷因长大气半衰期为A。预测转化率显示乙腈（99%）优于2-MeTHF（92%），且PMI更低（13.1 vs 15.2）。考虑90%溶剂回收后，乙腈的淡水使用影响最低，成为首选，而非先前推荐的2-MeTHF。
**4. 多案例对比**
额外四个案例（Menschutkin反应、氢化、关环复分解、热酰胺化）中，SSbD指南推荐的溶剂均与先前文献不同。例如，Menschutkin反应推荐DMSO而非硝基甲烷（后者因高健康风险排第18位）；氢化反应推荐乙醇替代三氟乙醇（PFAS有毒）；关环复分解推荐叔丁基甲基醚等，而非DCM；热酰胺化则支持甲苯或对二甲苯，而非d-柠檬烯。这些结果展示了指南在权衡反应效率、健康安全与环境影响方面的优势。

**讨论与结论**
讨论部分指出，该指南虽未包含消费者暴露、绝对环境可持续性评估（AESA）和社会生命周期评估（S-LCA），但可作为早期工艺开发的有力工具。用户可通过调整阈值和TOPSIS决策分析实现类别权衡。未来工作可扩展数据库、纳入更多暴露情景和环境影响指标。结论强调，该交互式指南结合了传统表格指南和反应特异性指南的优点，提供了用户定制的风险评估，有助于推动绿色化学的实践。代码和数据开放，支持社区改进。

**研究结论**
该研究受SSbD框架启发，对经典溶剂选择指南进行了更新。交互式功能允许用户选择相关风险情景并排除不适合的溶剂，从而创建针对特定工艺的定制化绿色化学工具。研究将标准表格指南和报告不同溶剂转化率的反应特异性指南统一为一个系统，并展示了包括Michael反应在内的多种应用实例。365种溶剂的源代码和数据公开，使用户能够做出明智的溶剂选择决策并创建自己的指南。对于早期发现化学，该指南可独立使用，但全面优化工艺安全与可持续性仍需补充其他评估工具，如社会生命周期评估和绝对环境可持续性评估。