精細化學品合成催化技術的應用與發展建議

王文霄(山東德辰注冊安全工程師事務所有限公司，山東 淄博 255000)

0 引言

精細化工產品種類多、附加值高、用途廣、產業關聯度大，直接服務于國民經濟的諸多行業和高新技術產業的各個領域。大力發展精細化工已成為世界各國調整化學工業結構、提升化學工業經濟效益和企業競爭力的戰略重點。

通常，精細化工生產過程工藝流程長、單元反應多、過程控制要求嚴格，中間會用到催化技術，主要目的是提升原料反應效率。目前行業中應用較多的催化技術可分為化學催化技術與生物催化技術。

1 化學催化技術

相較于普通化學工業產品，精細化學工業產品有著一定的特殊性。這尤其體現在化學結構層面，是因為產品合成涉及多種不同的原料，這些原料通常會在各類技術尤其是合成催化技術的作用下，經歷一系列化學反應流程，生成特定的化工產品。催化劑在其中起到的作用主要為加快化學反應速度。目前在這一領域中，對轉移催化技術的應用是最多的。

1.1 催化加氫技術

催化加氫是化學催化轉移技術中的一種。該技術的優勢在于化學反應過程能耗少，且在實際操作中，技術人員無需用到較多的有毒試劑，有利于保障操作安全，同時有利于生態環境保護，有利于促進精細化工生產行業的綠色化發展。

該技術具體包括兩大類，即直接催化轉移加氫技術與催化轉移加氫技術。在處理一些難以溶于反應介質的過渡金屬時，技術人員常會用到氫氣還原法，該方法以分子氫作為化學反應來源，若化合物本身具有催化劑功能，也可應用此種方法進行催化加氫。在化學反應條件相對溫和的情況下，可將C-C 雙鍵加工為官能團，若為鈀碳催化劑給予加氫處理，也可生成精細化工品，如蒎烯[1]。完成如上步驟后，技術人員應對催化劑做好過濾處理，再將其回收，避免發生失活現象，但受空間位阻因素的影響，采用上述方法進行化學合成催化，化學反應的速度并不很快。此外，轉移加氫法在實際生產中也較為常用，通常會用醇、烴作為氫源，溫和反應條件下，采用此種方式進行催化，有利于保障生產設備的運行安全。若使用NiBr2作為催化劑，用異丙醇作氫源，可對端烯進行轉移加氫處理。此外，Rh4(CO)12也可用作催化劑，氫源與前者一致，在紫外線照射的條件下，環二辛烯經如上加工處理后，會生成兩種不同的物質，即環辛烷與環辛烯。

1.2 其他加氫技術

除上文所述的催化加氫技術外，芳香族化合物加氫技術、硝基加氫技術與醌加氫技術在精細化工生產中也有著較高的利用率，功效各不相同，這里不再進行一一介紹。

2 生物催化技術的發展

相較于化學催化技術，生物催化技術更多位于化學、生物技術的中間地帶，是一個學科交叉性很強的研究領域，在化學合成加工中，與過程控制有關。實際生產中，多數酶的反應條件都十分溫和，采用生物催化技術，進行酶合成反應，更多適用于對高分子、大分子化合物的催化處理。技術人員可使用此類方法，改變高分子化合物的性質，令其更為順利地參與化學合成反應，保障產品生產質量。通常情況下，在同一個反應罐中，可同時發生多種不同的酶催化反應，最終生成的物質多為非天然物質。更具優勢的是，在生物催化技術的應用下，技術人員可反復利用微生物與酶，以多元化的催化反應，生成不同的物質，降低精細化工生產能耗，幫助化工廠實現能耗控制目標[2]。此外，在傳統的精細化工生產過程中使用催化劑，還會令化工廠排出的廢水中含有溶劑類物質、鹵素化學物及環狀化合物，但使用酶類催化劑進行催化，就可幫助技術人員解決這些問題，可實現對化工生產廢棄物的降解處理，從而遏制生態環境污染問題的發生。

目前，生物催化技術在精細化工產品生產中，更多被應用于對手性物質的合成。例如，技術人員可兼用高效篩選技術、生物誘變技術，對原料實施化學合成處理，此種情況下，化學反應產生的物質多為酶及各種微生物。現階段看來，酶在精細化工產品生產中的應用率尤其高，如在合成青霉素時，常會用到?；福辉谑中园泛铣芍谐玫桨被D移酶；在冬氨酸物質合成中常用到固定化大腸桿菌。這皆體現了對生物誘變技術的應用。

此外，也可將此類催化技術，應用到石油、藥品生產領域中，作為歧化催化劑進行使用。除此之外，技術人員也可將生物催化劑用在取代反應中，借助酶的影響作用，以取代反應，生成全新的物質，如用L-半胱氨酸、L-高絲氨酸配合生物催化劑生成L-胱硫醚。也可在藥物與中間體生產中，應用生物催化劑，合成手性化合物。如在生產帕羅西訂、立普妥等藥物時，技術人員就可采用如上技術[3]。但現階段，生物催化技術的可推廣性并不高，尤其是經濟適用性不佳，同時很多內外界因素都會影響催化反應的正常發生，如溫度等。例如，45 ℃溫度條件下，蛋白質活性有可能受到影響，導致催化反應質量下降，經化學反應后得到的物質很難被分離開來，影響產品質量。

3 基于生物合成的精細化學品種類

生物催化、生物轉化技術在精細化工生產領域中，實際上并不屬于新興事物，很多企業很早以前便已著手開始探索對此類技術的應用，相關部門也已針對這一部分內容，制定了一系列的鼓勵、扶持政策，力求推動相關行業及科技的發展。目前對新型生物催化劑的研發已初具成果，對催化劑改造技術的研發與應用也已提上日程，在催化劑理論知識、科研成果越發完善的時代背景下，我國精細化工產品生產行業對脂肪酶、氧化還原酶的研究與應用已達到世界領先水平，為此類技術在精細化工產品生產中的深入應用打下了良好的基礎。

3.1 醫藥用精細化學品

醫藥品是精細化學品領域最典型的組成部分。醫藥產業屬于技術密集型產業，對各類專業知識、技術的要求十分嚴格，因此醫藥用精細化學品研制、生產必然會用到多種先進的合成催化技術。目前該產業的發展形勢看好，在引入生物催化技術后，一系列研發成果應運而生，為市場注入了新血液。許多藥品的生理活性分子中含有對映異構體，大量數據表明，在現階段的臨床醫學領域中，手性物質應用率相當高。且隨著醫藥技術的發展，這一數據越發升高，為生物合成催化技術在醫藥領域中的深化應用打下了扎實的基礎，為精細化藥品研發與生產提供了源源不斷的技術支持[4]。

3.2 食品與飼料添加劑

食品與飼料添加劑也是典型的精細化工品。添加劑的生產過程常離不開各種精細化工品的參與，現階段看來，食品添加劑的種類多種多樣，在生產過程中用到生物催化技術的典型的食品添加劑有色素、防腐劑、甜味劑、功能性寡糖等，這表明生物催化技術在這一領域中有著較高的應用率與較好的應用態勢。此外生物催化劑在飼料生產領域中的應用也十分可觀，有抗生素、酶、營養補給劑等幾類，且應用規模越發增大，相信隨著科學技術的發展，生物催化劑在這一行業中的應用會變得更加廣泛。

3.3 日用精細化學品

現代人的日常生活離不開對各種日用精細化學品的使用。如在生活用品、家居用品中，就有很多精細化工產品，如：化妝品、膠水、墨水等。此外，很多香料、油脂、香精也屬于精細化工品?，F階段看來，生物催化技術在這類化工品的生產中，扮演了重要的角色。如芳香醛、芳香醇在生產過程中，就用到了此類技術，此外，牙膏、飲料生產中運用的很多賦香劑，如薄荷醇香料，在生產中也會用到生物催化技術。值得說明的是，這一化學品在醫藥領域中的應用率也是較高的，主要功效為清涼止癢，多被用于治療各種皮膚、黏膜疾病，甚至可被內服，可治療很多炎癥，這是因為薄荷醇多來源于薄荷這一草本植物，是從植物中提取，再經合成方法生產而成。

3.4 助劑

助劑又稱工業味精，在工業生產領域中的應用率很高。目前，助劑生產已成為社會中重要的新型產業，在材料、食品藥品、農藥、汽車、建筑等制造加工領域中都有著較好的應用態勢。如在生產塑料的過程中，就會用到多種不同的工業助劑，如無毒增塑劑。此外，這一物質在食品包裝方面的應用率也極高，醫藥行業內，這一物質在器械與藥物包裝中的應用也較多，如對各種注射器及膠囊的生產就需用到此種物質。在玩具生產領域中，對無毒增塑劑的應用，甚至已經超過了對石化鄰苯類增塑劑的應用，可見該種精細化工品有著極為可觀的市場發展前景。

棕櫚酸異辛酯有著較強的熱穩定性，在精細化工生產中也屬于應用率較高的一類助劑，具有耐寒耐堿以及潤滑的功能。將其作為離子表面活性劑使用，還可應用到化妝品、紡織用品的生產中。目前人們已針對這一化工品，開發了以固定化假絲酵母脂肪酶催化合成棕櫚酸異辛酯的一種生產技術，這有利于降低化工品生產能耗，幫助化工廠控制對污染物的排放，達到綠色發展目標。

4 精細化學品合成的催化技術實踐應用

4.1 酶催化技術在化學制藥中的應用

4.1.1 裂解酶在化學制藥中的應用

酶催化技術在醫藥領域中有著極高的應用率、良好的應用態勢與廣闊的應用前景，如裂解酶的應用。技術人員可應用C-C 或C-O 等不飽和鍵，借助此類物質的作用，進行加成或消除操作，形成精細化工產品。值得肯定的是，在上述技術流程中，裂解酶催化小分子有著一定的可選擇性，可發生醛縮反應，延長醛縮的碳單元[5]。研究表明，此種化學反應與化學醛縮反應有著較強的相似性，即都是在醛中加入帶有負電子的碳，典型的如多巴胺。具體而言，多巴胺是來源于哺乳動物中樞神經系統的一類物質，在低血壓治療中有著較高的應用率。實際生產過程中，可將二羥基苯丙氨酸作為底物，采用脫羥酶作為催化劑，合成多巴胺，達到化學制藥目的。

4.1.2 轉移酶在化學制藥中的應用

實際生產過程中，甲基、糖基、氨基等特定基團具有特殊的功能，可借助轉移酶，對其他底物分子實施轉移處理，形成輔助因子，達到精細化工產品生產目的。通常情況下，在使用轉移酶完成如上操作的過程中，工廠還需應用到輔酶這一物質，轉氨酶是現階段化學制藥中應用較多的轉移酶，輔酶方面可使用磷酸吡哆醛，是維生素B6 的合成物質。采用如上物質進行化學反應，會生成西夫堿，可進一步結合酶的催化反應特性，完成完整的化學反應流程。但實際操作中，轉氨酶底物的特異性通常較低，完成化學反應的速率很快，在氨基酸合成中尤其具有較高的應用率，可幫助工廠加快對手性藥物的生產。如生產L-絲氨酸物質就可用到此類物質，這是典型的藥物氨基酸，在市場中銷售態勢看好?？衫媒z氨酸羥甲基轉移酶，對甘氨酸與甲醛實施催化反應，完成精細化工合成流程。

4.1.3 氧化酶在化學制藥中的應用

化學制藥過程也常會借助氧化還原反應，對氧化酶的應用至關重要。如在生產丙肝病毒蛋白抑制劑時，就需用到氧化酶，在生產植物激素松脂醇時，更是會用到這一物質。后者現階段被應用于對多種疾病的治療中，具有良好的療效，有著較為穩定的機體保護作用?？山柚嗝咕械南悴荽佳趸福捎枚∽酉?，合成如上物質，整個合成過程無需耗費較多成本即可完成，生產規模可觀，且生產效率也很高，化學反應過程較為穩定，有利于幫助化工廠實現高效生產，取得更為理想的經濟效益。

4.2 新催化劑與催化新技術研制工程

為進一步強化合成催化劑在精細化工品生產中的應用，相關工作者有必要面向催化技術做好頂層設計，結合政策、行業形勢，不斷加大項目研發力度、提升項目研發質量，從資金、技術、人才等角度出發，為研發者給予充足的支持，力求研發出一批又一批符合行業發展需要、先進且安全的精細化工催化劑。在“十四五”發展期間，相關工作者可結合市場需求，進一步優化精細化工科技生產模式，加大科研生產力度。如可強化與市場中各類企業的合作，提升科研項目與企業新產品、新技術的契合性，促進新催化劑的生成[6]。此外還應調整好精細化工技術研究方向，目前看來，氧化、酯化、不對稱合成化學反應技術有著較為理想的研發前景，因此相關工作者可以聚焦于此，進行有針對性的研究，積極吸納高素質人才，組建起優質的科研團隊，不斷結合實際需求，優化對催化劑的研發及制作。如可利用當下炙手可熱的基因編輯技術，改造生物酶，使反應條件變得更為溫和，反應過程變得更為穩定，促進精細化工生產的綠色化發展。

5 促進精細化學品合成催化技術發展的建議

5.1 提升戰略意識，促進資源要素集成

現階段看來，有關單位對精細化學品合成催化技術研發給予了充足的資金支持，但技術、產品研發依然較為分散，缺乏較為明確的研發戰略，阻礙了研發工作的順利進行。對此，相關單位及企業有必要積極結合市場形勢及技術資源情況，加大技術及優勢產品研發力度，杜絕同質化競爭。相關工作者在研發新技術、新產品的過程中，應堅持從全局出發，進行科學合理的設計及選擇。如對于復雜分子，由于合成步驟較長，且適用催化劑的成本也較為高昂，靈活性較低，在技術、產品研發中應慎重考慮，對于路線簡單的大規模合成，催化劑的成本權重又較大，應用及研究的積極性有限，這就需要相關工作者理性地進行定奪，提升產品及技術的適配性。

5.2 注重產研結合，提升產業化能力

目前催化技術產業化程度還有較大的提升空間，相關機構對催化技術的研究，往往過于重視增強技術的創新性，忽視針對技術研發，設定合理的時間節點與目標導向，難以發掘催化技術在精細化工產品生產中的更為廣闊的應用機會，阻礙了技術研發進程。對于此，建議有機合成、藥物合成、精細有機合成等學科領域的專家聚集到一起，組建科研團隊，與市場占有率較高且具有一定影響力的企業展開傾力合作，在行業中形成更為完善的產學研合作模式，促進科研與產業的緊密結合，提升技術產業化程度。

5.3 強化有機合成技術與生物技術交叉集成

以醫藥、農藥或其他功能性化工品為基礎的精細化學品，及結構明確的高效工業產品，代表了現代工業有機化學的發展方向，代表了行業的進步方向。而對此類產品的生產，離不開對有機合成技術的應用，但這類技術在生產過程中，為生態環境帶來的污染較為嚴重，不符合生態文明建設理念。因此建議相關工作者大力推進有機合成技術與生物技術的交叉集成，借助后者的綠色、安全特點，提升精細化工產品集成的環境友好性，創造良好的生態效益，解決精細化工生產現存問題，為市場提供更多的技術、產品及產業機會，促進行業的進步發展。

6 結語

綜上所述，催化技術在精細化學品生產中有著極高的應用率，為提升生產效率及生產質量提供了重要的技術手段，相關工作者應當加強對此類技術的研究，幫助企業結合技術、市場實際情況，生產多元化的具有市場優勢的精細化工產品，綜合利用多種不同的催化技術，實現化學催化技術與生物催化技術的優勢互補，優化技術工藝，為企業的進步發展提供源源不斷的技術支持。同時化工生產企業也應不斷完善對各種先進技術的引入及應用，提升產品研發的戰略性，促進化工行業向高端化、精細化、綠色化發展。