探討精細(xì)化工產(chǎn)品合成中的化學(xué)應(yīng)用

劉志華

（江西井岡山應(yīng)用科技學(xué)校 江西吉安 343000）

0 引言

精細(xì)化工是化工行業(yè)的新興領(lǐng)域，對(duì)于化工產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、科技水平提升具有戰(zhàn)略意義。據(jù)《中國(guó)精細(xì)化工百?gòu)?qiáng)》榜單統(tǒng)計(jì)，2019年精細(xì)化工百?gòu)?qiáng)企業(yè)的主營(yíng)業(yè)務(wù)收入均值為58億元，同比增長(zhǎng)11%。在此背景下，依托化學(xué)應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)推動(dòng)精細(xì)化學(xué)品生產(chǎn)效益的提升，成為精細(xì)化工行業(yè)發(fā)展的主導(dǎo)方向。

1 精細(xì)化工的發(fā)展現(xiàn)狀與主要技術(shù)分析

1.1 精細(xì)化工發(fā)展現(xiàn)狀

精細(xì)化工是指通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)化學(xué)品進(jìn)行深加工，制備出性能、功能與用途更加豐富的高附加值精細(xì)化學(xué)品。精細(xì)化工針對(duì)原油、礦石、煤炭等上游原料進(jìn)行深加工，將其制備成烯烴、甲醇、電石等基礎(chǔ)產(chǎn)品，在此基礎(chǔ)上經(jīng)由精加工生產(chǎn)出農(nóng)藥、食品添加劑、染料、醫(yī)藥中間體等具備高附加值與商品屬性的化工產(chǎn)品，滿足農(nóng)業(yè)、食品飲料、紡織服裝、醫(yī)藥保健等行業(yè)的需求。我國(guó)精細(xì)化工行業(yè)起步晚于西方，在行業(yè)統(tǒng)計(jì)中將其歸類(lèi)為專(zhuān)用化學(xué)品制造業(yè)，近年來(lái)其主營(yíng)收入由2005年的3169億元逐漸提高到2017年的8.71萬(wàn)億元，業(yè)務(wù)規(guī)模擴(kuò)大5倍以上。然而相較于發(fā)達(dá)國(guó)家而言，當(dāng)前我國(guó)的精細(xì)化工產(chǎn)品品種占比僅為20%，諸如產(chǎn)品總量不足、質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題對(duì)于下游新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有一定的制約作用，在由精細(xì)化工2.0時(shí)代向3.0時(shí)代過(guò)渡的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，還需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)于化學(xué)應(yīng)用技術(shù)與新型化工原料的研發(fā)力度，更好地助力精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值與精細(xì)化率的提升[1]。

1.2 化學(xué)應(yīng)用的主要技術(shù)

1.2.1 離子液體

作為近年來(lái)材料化學(xué)、電化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，離子液體具有低揮發(fā)性、高穩(wěn)定性與環(huán)保性能，適用于取代有機(jī)溶劑充當(dāng)反應(yīng)介質(zhì)。將離子液體應(yīng)用于精細(xì)化工產(chǎn)品合成中，能夠有效提升化學(xué)反應(yīng)速率、控制反應(yīng)時(shí)間，以此提高產(chǎn)量、節(jié)約生產(chǎn)成本。

1.2.2 分離技術(shù)

分離技術(shù)通過(guò)從化學(xué)品中提取相應(yīng)物質(zhì)，針對(duì)提取物進(jìn)行加工并生產(chǎn)出化學(xué)原料，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)原料的再利用。以香料加工領(lǐng)域?yàn)槔梅蛛x技術(shù)可從物質(zhì)中提取出香料成分，再將提取物進(jìn)行化工合成處理，制備出香料產(chǎn)品，同時(shí)將分離技術(shù)應(yīng)用于廢棄物的分類(lèi)、提取處理環(huán)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)廢棄物的回收利用，提升原料利用率，在幫助化工企業(yè)節(jié)約成本的基礎(chǔ)上更好地發(fā)揮環(huán)保效益。

1.2.3 催化技術(shù)

催化技術(shù)是精細(xì)化工領(lǐng)域的核心內(nèi)容，利用催化劑可有效提升化學(xué)反應(yīng)速率與產(chǎn)品產(chǎn)量。例如將催化劑應(yīng)用于工業(yè)制氮反應(yīng)中，能夠使反應(yīng)速率增至萬(wàn)億倍；將催化劑應(yīng)用于煤、石油產(chǎn)品的合成中，可大幅優(yōu)化反應(yīng)效果，并且減少?gòu)U水廢氣產(chǎn)量。為進(jìn)一步提升催化劑穩(wěn)定性與時(shí)效性，當(dāng)前精細(xì)化工領(lǐng)域正逐步加強(qiáng)對(duì)催化劑的改良，圍繞氧化、加氫、酯化等化學(xué)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行研發(fā)創(chuàng)新，如將化學(xué)、生物催化技術(shù)相融合，借助基因編輯進(jìn)行生物酶改造等，進(jìn)一步提升精細(xì)化工催化劑的性能優(yōu)勢(shì)與綠色環(huán)保價(jià)值。

1.2.4 復(fù)配技術(shù)

復(fù)配技術(shù)是指選取兩種或兩種以上物質(zhì)，將其按比例加工制成新的混合物。以清洗劑的合成為例，通常在原油生產(chǎn)環(huán)節(jié)鐵、硫等元素將對(duì)鋼制管道造成侵蝕作用，引發(fā)管道腐蝕、堵塞問(wèn)題，通過(guò)將鹽水與檸檬酸、羥基乙酸等成分進(jìn)行復(fù)配，可有效溶解硫化亞鐵等成分、增強(qiáng)清洗效果，具有腐蝕性小、清潔無(wú)污染、使用安全、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，延緩管道腐蝕速度、優(yōu)化清洗劑的使用效能。

2 依托精細(xì)化工生產(chǎn)模式助力化工產(chǎn)品合成的新型路徑探討

2.1 離子液體催化劑

離子液體憑借其揮發(fā)性低、熱穩(wěn)定性好、清潔環(huán)保等性能優(yōu)勢(shì)，在溶劑生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。與此同時(shí)，離子液體還具備良好的可設(shè)計(jì)性特征，可將其作為催化劑應(yīng)用于酸催化反應(yīng)中，作為綠色、友好型催化劑。近年來(lái)已有多家研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)將離子液體應(yīng)用于液相三聚甲醛的催化合成中，例如中科院蘭州化物所選取咪唑類(lèi)離子液體用作催化劑，將其應(yīng)用于三聚甲醛的合成中，并已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)；富藝國(guó)際工程有限公司、中海石油化學(xué)股份有限公司已實(shí)現(xiàn)工業(yè)試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)、建設(shè)與試車(chē)；國(guó)家科技部基于非石油路線創(chuàng)建大宗化學(xué)品制備技術(shù)的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，為三聚甲醛的合成技術(shù)創(chuàng)新提供引導(dǎo)與支持；還有科研人員圍繞磺酸根、羥酸根、喹啉類(lèi)等功能化陽(yáng)離子，以及硫酸氫根、甲基磺酸根等功能性陰離子進(jìn)行離子液體的研制，并將其用于液相三聚甲醛的合成中，取得顯著的研究效果[2]。利用離子液體催化劑能夠提高產(chǎn)物的可選擇性，減少甲酸類(lèi)副產(chǎn)物產(chǎn)量，其反應(yīng)過(guò)程具有易于操作、可控性強(qiáng)等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，為三聚甲醛的合成提供重要的技術(shù)支持。

2.2 環(huán)糊精聚合物分離

環(huán)糊精聚合物是由一個(gè)或多個(gè)環(huán)糊精單元結(jié)構(gòu)組成的高分子化合物，依據(jù)構(gòu)造形式的差異大體分為交聯(lián)、線性、固載化、形成包合物、超支化五種類(lèi)型的環(huán)糊精聚合物，兼具空腔結(jié)構(gòu)與高聚物的性能優(yōu)勢(shì)，具有機(jī)械強(qiáng)度高、硬度大、相對(duì)分子質(zhì)量高、熱穩(wěn)定性良好的特征，常被應(yīng)用于食品、化妝品、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的化學(xué)品合成中。例如在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的手性藥物生產(chǎn)中，由于不同手性異構(gòu)體藥物的空間結(jié)構(gòu)有所差異，對(duì)于生物體內(nèi)的不同受體所呈現(xiàn)出的藥理活性也將有所區(qū)別，特殊情況下極有可能引發(fā)致畸等藥物副作用。而環(huán)糊精聚合物具備良好的包結(jié)性能，將其作為流動(dòng)相添加劑、手性固定相進(jìn)行手性藥物的分離處理，搭配其他分離方法可有效提升對(duì)于手性藥物的分離效果。以布洛芬20、萘普生等非甾體抗炎藥為例，此類(lèi)藥物具有解熱鎮(zhèn)痛效果，但含有芳環(huán)、羧基成分，通過(guò)將羥基烯丙基-β-CD接枝在超支化聚硅氧烷外端，制備成β-環(huán)糊精聚合物，再搭配毛細(xì)管電泳分離技術(shù)進(jìn)行手性藥物的分離處理，可有效實(shí)現(xiàn)鹽酸異丙腎上腺素等對(duì)映體的分離，其分離度最高可達(dá)92%。

2.3 化學(xué)與生物催化技術(shù)

2.3.1 化學(xué)催化技術(shù)

通常精細(xì)化工產(chǎn)品的化學(xué)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，相關(guān)原料經(jīng)由氧化還原、水解、酯化等反應(yīng)合成產(chǎn)品，而添加催化劑可起到調(diào)節(jié)化學(xué)反應(yīng)速率、抑制副產(chǎn)物產(chǎn)生等作用，為精細(xì)化工產(chǎn)品的合成與產(chǎn)品質(zhì)量提供保障。催化加氫作為最具代表性的化學(xué)催化技術(shù)，主要利用直接催化轉(zhuǎn)移加氫法、催化轉(zhuǎn)移加氫法兩種方法進(jìn)行催化反應(yīng)，具有能耗低、污染小等特征，可有效提升催化劑在精細(xì)化工生產(chǎn)中的應(yīng)用價(jià)值。例如在香料生產(chǎn)中的α-蒎烯合成中，利用鈀碳催化劑進(jìn)行加氫還原反應(yīng)；選取Pd、Pt、Rh等金屬作為加氫催化劑，在220K溫度、8kPa壓強(qiáng)條件下對(duì)丙烯進(jìn)行加氫反應(yīng)生成丙烷等，提升催化劑活性[3]。

2.3.2 生物催化技術(shù)

生物催化技術(shù)主要利用酶催化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)大分子、高分子化合物的改性與修飾，緩解高分子主鏈上羥基難于加工的問(wèn)題，減少反應(yīng)的副產(chǎn)物，并且可在一個(gè)反應(yīng)罐內(nèi)同時(shí)開(kāi)展多項(xiàng)酶催化反應(yīng)，提高原料轉(zhuǎn)化率，實(shí)現(xiàn)對(duì)酶、微生物的反復(fù)利用，有效降低反應(yīng)能耗。例如在工業(yè)廢水凈化處理環(huán)節(jié)，利用酶類(lèi)催化劑可實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水中溶劑、環(huán)狀化合物、鹵素化合物的生物降解，提升工業(yè)廢水的處理效率、降低環(huán)境污染。同時(shí)，還可將酶類(lèi)催化劑作為歧化劑，例如選取磷脂酶、裂解酶、脂肪酶分別用于合成磷脂、苯丙氨酸、丁酸縮水甘油酯等產(chǎn)物，滿足有機(jī)藥品、石油衍生材料等領(lǐng)域的化學(xué)品生產(chǎn)需求。但在此過(guò)程中需注意加強(qiáng)對(duì)溫度、pH等反應(yīng)條件的控制，避免因酶、微生物催化劑失去活性造成底物浪費(fèi)問(wèn)題。

2.4 復(fù)配型精細(xì)化學(xué)品

以往精細(xì)化學(xué)品主要指代合成型高純化學(xué)制劑，此類(lèi)化學(xué)品對(duì)于化學(xué)物質(zhì)組分濃度、雜質(zhì)組分含量提出了較高的要求，而復(fù)配型精細(xì)化學(xué)品通常選用數(shù)種或上百種化學(xué)物質(zhì)，基于一定配比與工藝制備而成，對(duì)于化學(xué)物質(zhì)的濃度、組分含量等并無(wú)過(guò)高要求，可有效提升化學(xué)品生產(chǎn)效率、節(jié)約成本，二者生產(chǎn)流程對(duì)比如圖1所示。在復(fù)配型精細(xì)化學(xué)品合成與生產(chǎn)環(huán)節(jié)涉及配方調(diào)配試驗(yàn)，需結(jié)合產(chǎn)成品功效要求針對(duì)原料組分用量進(jìn)行計(jì)算，并完成配方設(shè)計(jì)，以此為洗滌劑、化妝品、涂料、黏合劑等產(chǎn)品的合成生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

圖1 合成型與復(fù)配型精細(xì)化學(xué)品生產(chǎn)流程比較

3 結(jié)論

近年來(lái)我國(guó)精細(xì)化工行業(yè)的高速發(fā)展使得精細(xì)化學(xué)品的市場(chǎng)占有率逐年提升，有效提升精細(xì)化工材料的生產(chǎn)效率與附加值。當(dāng)前電子、機(jī)械、建筑等行業(yè)對(duì)于新型化工材料的需求逐年提升，因此更應(yīng)加強(qiáng)精細(xì)化工生產(chǎn)結(jié)構(gòu)與技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)對(duì)高性能化工產(chǎn)品的重點(diǎn)開(kāi)發(fā)，進(jìn)一步拓寬精細(xì)化工領(lǐng)域的發(fā)展前景。