绿色化学品合成与应用的研究
摘要
关键词
绿色;化学品合成;应用研究
正文
引言
精细化工产品种类多、附加值高、用途广、产业关联度大,直接服务于国民经济的诸多行业和高新技术产业的各个领域。大力发展精细化工已成为世界各国调整化学工业结构、提升化学工业经济效益和企业竞争力的战略重点。
通常,精细化工生产过程工艺流程长、单元反应多、过程控制要求严格,中间会用到催化技术,主要目的是提升原料反应效率。目前行业中应用较多的催化技术可分为化学催化技术与生物催化技术。
1化学催化技术的发展
1)催化加氢技术。这是化学催化相转移技术的一种,整个化学反应过程不会产生过多能耗,且反应条件相对温和,可以减少有毒试剂的应用,对周围生态环境不会造成恶劣的影响,这是目前精细化工产品生产用到的核心技术。催化加氢的方法主要有直接催化转移加氢和催化转移加氢两种方法,以分子氢作为来源的氢气还原法一般会用在不溶于反应介质的过渡金属中,或者对化合物为催化剂的物质进行催化加氢处理。C—C双键处于温和条件时可以成为容易加氢的官能团,如果将钯碳催化剂进行加氢处理,还原为蒎烯,这是一种精细化学品。再使用Pd或Pt等金属作为加氢的催化剂,在8kPa的压强状态下对丙烯进行加氢处理,经过化学反应后生成丙烷。这一过程中,催化剂会在简单的过滤处理后回收,不会有失活现象发生,但是三元取代烯烃会受空间位阻带来的影响,导致催化加氢的反应过程十分困难,催化剂的活性有所下降。带有氢的多原子分子作为氢源的方法叫做转移加氢法,将醇和烃作为氢源,在温和的反应条件下提高设备应用安全性,如果将Nibr2作为反应催化剂,使用异丙醇作为氢源,最后可以转移加氢端稀。除了NiBr2可以作为催化剂,Rh4(CO)12也能作为催化剂,同样氢源是异丙醇,紫外照射情况下环二辛烯经过转移加氢处理后成为环辛烷与环辛烯两种物质。
2)芳香族化合物加氢技术、硝基加氢技术、醌加氢技术在精细化工中应用。比如,使用甲基顺丁烯二酸加氢通过加氢会化学合成甲基丁二酸。
2精细化工发展现状
精细化工是指通过对基础化学品进行深加工,制备出性能、功能与用途更加丰富的高附加值精细化学品。精细化工针对原油、矿石、煤炭等上游原料进行深加工,将其制备成烯烃、甲醇、电石等基础产品,在此基础上经由精加工生产出农药、食品添加剂、染料、医药中间体等具备高附加值与商品属性的化工产品,满足农业、食品饮料、纺织服装、医药保健等行业的需求。我国精细化工行业起步晚于西方,在行业统计中将其归类为专用化学品制造业,近年来其主营收入由2005年的3169亿元逐渐提高到2017年的8.71万亿元,业务规模扩大5倍以上。然而相较于发达国家而言,当前我国的精细化工产品品种占比仅为20%,诸如产品总量不足、质量不稳定等问题对于下游新兴产业的发展具有一定的制约作用,在由精细化工2.0时代向3.0时代过渡的关键节点,还需进一步加强对于化学应用技术与新型化工原料的研发力度,更好地助力精细化工产业总产值与精细化率的提升。
3依托精细化工生产模式助力化工产品合成的新型路径探讨
3.1日用精细化学品
日用化学品种类很多,主要是个人日常生活用品以及家居用品,也是精细化学品的主要产品类型。一般来讲,可以将常用的精细化学品分为洗涤用品、化妆用品、卫生用品和护理用品等,此外,日常生活中经常需要使用的墨水、胶水等也属于精细化学品产品。在具体生产过程中,能够用于日化产品生产的精细化学品也很多,具体包括各种油脂、酸、碱、盐、香料、香精等,此外还包含各种类型的助剂。一生物催化得到的香料香精为例,很多香料香精都是使用生物催化的方法进行生产,其产品种类丰富,具体包括各种萜类、花香和果香内酯类、呋喃酮类、芳香醛类、芳香醇及其酯类等香料香精等。
以薄荷醇为例,这是一种多用途香料,可以作为日常用品如牙膏香水、饮料等产品的赋香剂,此外,薄荷醇还可以用在医药方面,可以作为刺激药物,能够对皮肤和黏膜产生治疗作用,达到清凉止痒的效果。此外,薄荷醇还可以内服,有助于治疗疼痛、炎症。薄荷醇可以从天然薄荷中提取,也可以应用合成方法进行制造。
3.2转移酶在化学制药中的应用
实际生产过程中,甲基、糖基、氨基等特定基团具有特殊的功能,可借助转移酶,对其他底物分子实施转移处理,形成辅助因子,达到精细化工产品生产目的。通常情况下,在使用转移酶完成如上操作的过程中,工厂还需应用到辅酶这一物质,转氨酶是现阶段化学制药中应用较多的转移酶,辅酶方面可使用磷酸吡哆醛,是维生素B6的合成物质。采用如上物质进行化学反应,会生成西夫碱,可进一步结合酶的催化反应特性,完成完整的化学反应流程。但实际操作中,转氨酶底物的特异性通常较低,完成化学反应的速率很快,在氨基酸合成中尤其具有较高的应用率,可帮助工厂加快对手性药物的生产。如生产L-丝氨酸物质就可用到此类物质,这是典型的药物氨基酸,在市场中销售态势看好。可利用丝氨酸羟甲基转移酶,对甘氨酸与甲醛实施催化反应,完成精细化工合成流程。
3.4环糊精聚合物分离
环糊精聚合物是由一个或多个环糊精单元结构组成的高分子化合物,依据构造形式的差异大体分为交联、线性、固载化、形成包合物、超支化五种类型的环糊精聚合物,兼具空腔结构与高聚物的性能优势,具有机械强度高、硬度大、相对分子质量高、热稳定性良好的特征,常被应用于食品、化妆品、医学等领域的化学品合成中。例如在医学领域的手性药物生产中,由于不同手性异构体药物的空间结构有所差异,对于生物体内的不同受体所呈现出的药理活性也将有所区别,特殊情况下极有可能引发致畸等药物副作用。而环糊精聚合物具备良好的包结性能,将其作为流动相添加剂、手性固定相进行手性药物的分离处理,搭配其他分离方法可有效提升对于手性药物的分离效果。以布洛芬20、萘普生等非甾体抗炎药为例,此类药物具有解热镇痛效果,但含有芳环、羧基成分,通过将羟基烯丙基-β-CD接枝在超支化聚硅氧烷外端,制备成β-环糊精聚合物,再搭配毛细管电泳分离技术进行手性药物的分离处理,可有效实现盐酸异丙肾上腺素等对映体的分离,其分离度最高可达92%。
3.5助剂
助剂也叫做工业味精,助剂是工业生产制造过程中非常关键的精细化学品。随着工业的发展,助剂产业也得到迅猛发展,并逐渐成为一门新兴产业。研究显示,助剂广泛应用于各种产品各个行业的生产过程中,具体包括材料、纺织、医药、食品、农药、建筑、汽车和金属加工等。
塑料工业的生产需要多种助剂,以常用的无毒增塑剂为例,研究显示,我国每年需要无毒增塑剂120万吨,其市场价值达到200亿元。不仅如此,以无毒增塑剂为主的附属市场也非常巨大,能够带动大量产业发展。例如在食品行业,生物无毒增塑剂可以用于食品包装,这是一个巨大的市场;在医药行业,生物无毒增塑剂也可以用于大量器械以及药物包装,如各种注射器、输液袋和胶囊等,其产业价值达到2000亿元。在玩具行业中,生物无毒增塑剂逐渐取代了具有一定毒性的石化邻苯类增塑剂,因此带动了生物无毒增塑剂产业的发展。基于生物无毒增塑剂自身的安全性和无毒性,其市场价值更加突出,其发展前景广阔,对于推动社会经济发展具有重要作用。
棕榈酸异辛酯具有良好的热稳定性,同时还可以达到耐寒耐碱效果,还具有内润滑作用,这种增塑剂在生产过程中得到广泛应用。此外,棕榈酸异辛酯还是一种非常重要的非离子表面活性剂,这种产品在化妆、纺织等化工行业也具有广阔的应用前景。我国的研究人员开发出固定化假丝酵母脂肪酶催化合成棕榈酸异辛酯的技术,能够达到降低能耗的效果,同时还可以减少生产过程中的污染物排放,同时具有较高的转化率,具有良好实践生产效果。
4我国精细化学催化技术发展的建议
加强催化技术顶层设计,实施新催化剂与催化新技术研制工程。我国精细化工催化剂的发展水平与发达国家存在一定差距。“十三五”时期,我国应优化精细化工产学研联合科技创新模式,将高等院校及科研院所催化剂方面的科技项目选题与精细化工企业的新技术需求相结合,推动建立开发新催化剂、新生物酶创新战略联盟;将氧化、加氢、酯化、烷基化、不对称合成和酶催化等精细化学反应过程列为重点研究方向。精细化工企业要建立催化剂科研技术团队,集结企业内部专业技能精湛的技术人才对催化剂科技项目进行重点攻关,并与高校联合定向联合培养团队成员,与高校产学研合作,改进催化剂在精细化工行业现有工业化技术;将化学催化技术和生物催化技术的优势互补,积极探索新的技术工艺;通过基因编辑对生物酶改造,发现更加高效稳定的生物酶,使精细化工企业朝着绿色合成方向健康发展。
精细化工催化剂类企业上延下拓,加强知识产权保护。精细化工催化剂类企业是直接面对终端客户,向上延伸发展难度大,向下游发展是良好的选择:深耕一个细分市场产品,增加同一类产品的牌号,丰富产品线适应客户需求。精细化工催化剂类行业产品更新换代快,研发费用高,保密性强。我国精细化工催化剂类企业应加强知识产权保护,完善我国精细化工公司知识产权法律体系,简化整个知识产权的申请程序,降低申请成本。加强自身品牌建设,把自身公司打造成知名精细化工催化剂类企业,创建精细化工催化剂类企业更多的驰名商标。建立国内精细化工行业成果共用、利益共享机制,精细化工催化剂类企业从品牌管理、知识产权、广告和传媒等不同领域在新形势下向更高质量发展。
拓宽精细化工企业融资渠道。国内精细化工企业大都属于中小企业,融资渠道窄,国家应出台对精细化工企业资金支持政策和减税政策,积极推进民间融资的规范化,构建多种形式支持高新技术中小精细化工催化剂类企业资金支持体系。
结语
本文基于精细化学品合成的催化技术,进行相关的特点阐述以及问题的分析。我国该行业的发展时间不长,虽然取得了较快的发展,但是与西方发达国家相比,仍存在较大的发展和进步空间。因此为了弥补该行业在我国发展的局限性,我国的政府和相关部门要更加注重对精细化学品催化技术发展的扶持,促进该行业的协调可持续发展。
参考文献
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