化学对于日常生活中使用的所有产品的加工都是必不可少的，例如制成品、材料、燃料和能源设备、建筑、交通、食品、医药产品、个人护理产品和通信设备。考虑到该行业的广泛性及其为确保发展和技术进步以满足不断增长的世界人口的需要而必须的增长，一个新的化学时代已经到来，在这个时代，化学产品对环境的影响（包括危害、生命周期、碳足迹和资源可持续性）将最小化。利用生物质生产化学品、能源产品和材料是实现可持续发展的重要途径。本文简要概述了生物质作为可再生资源的使用，从动机和社会问题的角度分析了其多年来的演变，突出了开创性的贡献，并强调了仍然存在的挑战将如何需要化学科学各个方面的贡献。
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人们对生物质的认识得益于20世纪90年代以来建立的概念和原则，例如谢尔登的环境因素、特罗斯特的原子经济，以及更全球化的阿纳斯塔斯和沃纳的绿色化学原则以及何（He）等人的绿色碳科学。这些现在已成为现代化学的基础，最终实现了阿纳斯塔斯的化学希波克拉底誓言，发誓任何化学过程或产品都不应造成任何伤害，造成在全球范围内包括科学、技术、社会、文化和道德问题。在普遍的可持续发展目标中，负责任的消费和生产解决了用于制造化学品的起始材料的关键问题。
生物质包括来自蔬菜、农产品、林业产品和任何剩余物的所有分子和大分子化合物。使用可再生原料，主要是生物质，是绿色化学的重要组成部分。同时，绿色化学的原则也指导着整个生物质利用过程。如果不遵守所有其他绿色化学原则，就不能将生物质用于化学本身视为目的。反应效率、原子经济性、资源消耗限制、防止浪费以及工艺和产品安全也适用于生物质的使用，从生物质生产和转化为生物基产品，直到最终使用。在某种程度上，这意味着回到石油时代之前，当时生物质是化学早期唯一的碳资源，同时旨在满足更多、技术更先进的人口对化学产品的当前需求。
大自然不断利用水、二氧化碳和太阳能生产生物质。在农作物价格低廉、石油昂贵的时代，化学中使用生物质的目的主要是为未使用的作物和剩余物提供更好的价值。如今，全球范围内的人们越来越意识到，化学品制造商有必要更新其产品组合，使用含有更多可再生碳的化合物，遵循普遍接受的可持续目标，日益严格的法规和消费者行为，这推动了这一势头。这还必须解决粮食与非粮食资源、可耕地可用性、土壤贫瘠、水需求和农业实践可持续性等问题。
生物质还可以提供可再生能源，类似于风能、水能或太阳能。此外，大多数化学产品都离不开碳资源。因此，生物质可用作制造能源产品和高附加值化学品和材料的原料。每年产生的大量非食品生物质和废物，尤其是木质纤维素资源，证明了生物质的使用已成为一个真正的研究问题。就碳足迹而言，生物质用于化学的益处不应被夸大。化学产品的碳足迹是基本影响的总和，包括收获、提取和转化、合成的化学过程以及分离和纯化、最终产品本身的使用及其使用寿命。因此，从石油转向生物质仅考虑植物生长过程中的二氧化碳消耗，而不是更多。
优先使用可再生资源而不是化石资源必须首先被视为创新和增值的机会，以及限制经济对石油依赖的一种方式。从长远来看，这将被视为后石油时代化学的开创性步骤，无论何时发生。
生物质结构复杂，对热和恶劣化学条件的敏感性更高，导致化学反应结果更复杂，因此分离和隔离步骤也更困难。每种生物分子家族，包括木质素、碳水化合物和脂肪等，在化学反应性和稳定性方面都表现出特定的挑战。与碳氢化合物相比，它们的化学结构差异很大。对于每个家族，这些特征决定了它们化学反应性的自然趋势，因此也决定了可能的转化范围和新衍生物的分子设计。
其他挑战与生物分子的物理状态有关，无论是作为生物聚合物还是小分子，它们在原始植物中的束缚方式，以及它们通过非共价但强的相互作用在网络中结合在一起的方式，这需要特定的预处理和/或提取步骤。
一种选择是高温燃烧/裂解粗生物质。最终，相比于导致部分分解生物质的复杂混合物的工艺，这一选择可以获得碳氧化物和氢气的混合物（合成气方法），从而解决了选择性问题。然后，合成气中催化碳碳键的形成可以很容易地提供现有的工业相关化学品，尽管是低附加值产品。
另一种方法是针对更复杂的产品或中间体（平台分子），当有足够纯度和良好表征的生物分子可用时，只需进行有限的预处理或无需预处理。事实上，重要且非常多样化的挑战仍然限制了已经进入市场的生物基化学品的范围，在经济性和可持续性方面都获得了令人满意的评价。在这里，我们强调了化学科学的哪些方面可以应对主要挑战，并提出了解决这些挑战的未来方向。
催化反应效率和选择性需要设计特定的催化剂，在高氧介质中具有适当的稳定性和活性，能够解决生物分子底物的多功能性质，同时预测目标产品的稳定性，避免不良的过度转化产品。还必须解决区域异构体或不同转化水平（取代、还原、氧化、碳碳键断裂）或聚合度之间的选择性问题，以及某些金属物质的消耗，通过转向更可用的物质或非金属催化方法。
适当的介质受益于离子液体和带催化剂的智能混合物以及深共熔溶剂领域的发展，能够溶解高度结合和极性的固体，从而为以前使用的有机溶剂提供替代品。
由于生物质化学涉及固体和液体作为起始材料，通常极性很强，并且（很少）最终产物在气相中，因此必须精心设计能够管理（通常非常粘稠的）液相和固液相过程的工艺，并可能同时分离目标分子以防止过度反应。
尽管底物的大小和复杂性，但了解多功能生物分子的固有相对反应性和立即转化产物的反应性，以及识别中间反应物种，同时考虑溶剂和催化剂结构的贡献，将使我们了解反应机制和最有希望的途径。
生物基化学的更新需要开发新的高效、原子经济和清洁的生物分子和平台分子转化。这将扩大可用构建块的范围，并导致基于原始分子设计的创新化学品的发现。
分析方法和设备必须解决生物质的高结构复杂性，首先要表征起始资源，然后监测反应的转化、效率和选择性。结合环境化学，分析科学对于确定最终用户释放的分子的命运至关重要。
占生物质主要部分的木质纤维素物质的聚合性质以及可能的大分子靶标范围（通过改性天然生物聚合物或通过聚合生物基单体）在反应性、工艺和应用方面引发了特定问题。
物理化学和界面科学在理解基于生物分子的新构造的结构-性质关系方面发挥着作用，既包括其所需的应用性质，也包括对环境的影响。
这些对于生物精炼厂的发展必不可少，从预处理到分子转化以及生物降解，各个层面都必不可少。展望未来，它们致力于环保地生产生物质，旨在生产出具有更简单的下游转化步骤的资源作物和产品。具有生物启发功能特性的生物质生物合成和代谢途径也可以促进创新并丰富方法和目标的范围。
这些领域与环境科学一起，为衡量所有参与者（从种植生物质的农民到化学产品的最终用户）的利益贡献了关键观点。
当然必须鼓励在化学领域优先使用可再生资源。有机产品的合成需要碳源。因此，石油或煤炭等化石碳资源的枯竭将预示着一个仅依赖生物质的化学新时代的到来。这将在与其他重要环境问题相同的世纪末时间范围内发生，因此必须立即通过深入研究加以解决。此外，应该提到的是，对生物基经济的政策激励对于促进该领域的发展也很重要。生物质必须得到全球认可，不仅是植物，因为二氧化碳、藻类、酵母和昆虫都是合理的替代品。从长远来看，开发使用生物质和二氧化碳合成化学品的反应和工艺将被视为后石油时代化学的开创性步骤。同时，这为我们提供了设计新型化学产品的机会，并为实现更清洁、可持续和更安全的化学创新做出贡献。
本文仅代表资讯，供读者参考，不代表平台观点。
编译 | Daisy
审核 | ZYP
排版 | 绿叶
【参考资料】
Yves Queneau et all,Biomass: Renewable carbon resource for chemical and energy industry,The Innovation, https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100184
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