过程化学中的传统概念是时空产率的优化。从我们现代的角度来看，必须扩大这种有限的观点，例如有毒废物可以破坏自然资源，尤其是后代的生计手段。此外，许多用于生产化学品的原料基于石油，而石油不是可再生资源。要解决的关键问题是：可以开发和使用哪些替代方案？此外，我们必须确保后代也能使用这些新的替代品。 “可持续性”是一个概念，用于区分可以确保环境长期生产力的方法和过程，以便即使是后代人类也可以生活在这个星球上。可持续性具有环境，经济和社会方面。

美国环境保护局的Paul Anastas制定了一些关于如何在化学品生产中实现可持续性的简单经验法则 - “绿色化学原理”：

1. 废物预防而非补救

2. 原子经济或效率

3. 使用危害较小且有毒的化学品

4. 更安全的产品设计

5. 无毒溶剂和助剂

6. 能源效率的设计

7. 优选使用可再生原料

8. 更短的合成（避免衍生化）

9. 催化而不是化学计量试剂

10. 设计产品在环境中经历退化

11. 污染预防的分析方法

12. 本质上更安全的流程

    
    

实施这些绿色化学原理需要一定的投资，因为必须重新设计目前非常便宜的化学工艺。 然而，在某些原材料变得更加昂贵（例如，随着过渡金属的可用性变得有限）以及能源成本增加的时候，这种投资应该得到回报，因为优化过程变得比未经优化的过程便宜。 因此，绿色程序的开发可被视为对未来的投资，这也有助于确保生产符合即将出台的未来法律法规。

典型的化学过程会从原材料（如基材，溶剂和试剂）中产生产品和废物。 如果大多数试剂和溶剂都可以回收利用，那么质量流量就会大不相同：

因此，如果大多数试剂和溶剂是可回收的，则可以实现废物的防止。 例如，可以滤除与固相结合的催化剂和试剂如酸和碱，并且可以再生（如果需要）并在随后的运行中重复使用。 在非常大规模的化学产品的生产中，非均相催化剂和试剂可以保持静止，同时连续加入底物并通过以产生连续除去的产物（例如通过蒸馏）。

这些过程的质量效率可以通过E因子（环境因子）来判断：

虽然理想情况下，在石油精炼中使得E因子为0几乎可以实现，但是大量和精细化学品的生产使得E因子在1到50之间。药物生产的典型E因子在25到100之间。注意不考虑水 在这个计算中，因为这会导致非常高的E因子。 但是，必须包括在含水流中稀释的无机和有机废物。 有时，从不同的角度来计算E因子更容易，因为难以计算损失和确切的废物流：

在任何情况下，E因子和相关因素都不能解释废物的任何类型的毒性。 如果废物对环境没有影响，这样的校正因子（“不友好”商，Q）将是1，如果废物可以再循环或用于另一种产品，则小于1，如果废物有毒，则大于1 和危险的。 此类讨论处于初步阶段，E因子可直接用于比较目的，因为该指标已在业界广泛采用。

计算化学反应效率的另一种尝试也被广泛使用，即原子经济性或效率。 这里的值可以从化学方程式计算：

原子效率是一个高度理论值，不含任何溶剂，也不含实际化学产率。 可以通过将化学产率与理论原子效率相乘来计算实验原子效率。 无论如何，讨论仍然比定量更具定性，并且还没有量化所用产品和试剂的毒性类型。 尽管如此，作为一个术语的原子经济可以很容易地用于反应的直接定性描述。

考虑到具体反应，绿色方法的开发主要集中在两个方面：溶剂的选择和催化反应的发展。 举例来说，二羟基化催化反应的发展使得Woodward反应在制造类固醇方面成为可能，其中使用和生产了大量昂贵的银盐，因此成为经济因素：

Woodward Reaction

伍德沃德反应可以通过使用化学计量的OsO4来代替，但四氧化锇既毒性又非常昂贵，使其在商业规模上的使用受到限制。 仅在其催化变体中，其使用N-甲基吗啉-N-氧化物作为化学计量氧化剂和催化量的OsO 4，这可以被认为是可以在工业规模上使用的绿色反应。

Upjohn Dihydroxylation

已经报道了一些系统，其中使用H 2 O 2再氧化N-甲基吗啉，允许该材料也以催化量使用。考虑到使用H2O2作为末端氧化剂的原子效率，作为化学计量副产物的H2O比N-甲基吗啉好得多。值得注意的是，可以使用催化体系，其中锇催化剂被包封在聚脲基质中或与树脂结合，从而催化剂可以更容易地回收和再利用。这种聚合物结合催化剂的另一个优点是避免了有毒的过渡金属杂质，例如在药物产品中。

关键点仍然是溶剂的选择，因为这是反应体系的主要成分（约90％）。应避免使用氯化溶剂，因为许多这些溶剂具有毒性和挥发性，并且与臭氧层的破坏有关。替代溶剂包括例如离子液体，其是非挥发性的并且可以提供不同极性的非水反应介质。离子液体具有显着的潜力，因为如果可以开发出可以通过萃取或蒸馏除去产物并且催化剂保留在离子液体中的体系，理论上溶剂和催化剂都可以重复使用。用于绿色化学的溶剂是水，其是无毒液体但具有有限的化学相容性。一方面，当在水性介质中运行时，诸如Diels-Alder反应的反应通常甚至加速，而另一方面，许多反应物和试剂（包括大多数有机金属化合物）与水完全不相容。因此非常需要开发更新的方法和技术，这些方法和技术将通过在水或其他水性介质中的反应产生有趣的产品。在纯净条件下（无溶剂）和超临界CO2介质中的化学反应也可视为绿色选择。可以考虑其他可能的改进，例如用甲苯替代苯（作为毒性较小的替代物），或使用可被微生物快速降解的溶剂。