21世纪精细化工的发展.docx

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1、21世纪精细化工的发展20世纪人们合成和分离了 2285万种新化合物，新药物、新材料的合成技术大幅度提高，典型的单元操作日趋成熟，这主要当归属于精细化工的长足发展和贡献。 21 世纪科技界三大技术，即纳米技术、信息技术和生物技术，实际上都与精细化工紧密相关。可见，精细化工还将继续在社会发展中发挥其核心作用，并被新兴的 信息、生命、新材料、能源、航天 等高科技产业赋予新时代的内容和特征。1 精细化学品与精细化工精细化学品至今尚无严格定义。一般认为精细化学品是由初级和次级化学品进行深加工而制得的具有特定功能、特定用途的小批量生产的系列产品。多数欧美国家则将其细分为精细化学品和专用化学品。其中，销量

2、小的化学型产品为精细化学品，强调的是其规格和纯度而不是特殊的功能和专用性；销售量小的功能型产品为专用化学品，强调的是特殊的功能和专用性，而不是规格和纯度。欧美国家多用专用化学品一词，用途涉及到科研生产的方方面面，而精细化学品则很少使用。生产精细化学品的工业通称为精细化学工业，即精细化工。国际通常是 根据产品的用途分类 ，主要由医药、农药、兽药、染料、颜料、涂料、感光材料、磁性记录材料、印刷油墨、香精香料、化学试剂、催化剂、气雾剂、胶黏剂、表面活性剂、洗涤剂、工业清洗剂、饲料添加剂、食品添加剂、水处理剂、制冷剂、电镀添加剂、混凝土添加剂、选矿剂、沥青乳化剂、造纸化学品、汽车化学品、皮革化学品、油

3、田化学品、电子化学品、信息化学品、各类助剂 ( 如纺织助剂、印染助剂、塑料助剂、橡胶助剂、高分子聚合助剂、农药用助剂、油品添加剂等 ) 、工业民用防雾剂、功能性树脂、生物化工产品及各类中间体等。随着科学技术的迅猛发展，它逐渐从化学工业中分离出来成为一支新兴产业。因新品种不断出现，且生产技术往往是多门学科的交叉产物，很难确定其准确范畴。2 化工新概念21 世纪，人们更加注重产品质量、性能、使用效果和附加值。迫切需要解决分子结构与性能的定量关系；预测化学反应的产物和新化合物化学性质；生命现象中的化学机理和纳米尺度的基本规律等重大难题。2.1化学产品工程概念化学产品工程是近些年在英美国家发展起来的新

4、概念，它的研究范围是如何根据不断变化的市场需求，借助化学、工程和系统科学的方法来设计制造细化分类的各种新产品；如何快速高效地利用现有资源，使产品最大程度地满足用户需求。它主要包括分子产品工程、配方产品工程、间歇生产和柔性制造技术等三方面内容，分别解决物质分子结构和分子间互相作用于性质的关系、产1品的特定复合组配、生产过程优化等问题。以往精细化学品和专用化学品的开发需要投入很大的人力和财力成本，而利用化工产品工程理论则可对此有理想的改善。通过该理论框架下的计算机分子模拟和设计，改变了以往主要依靠实验摸索的模式，可对各种可能的产品结构进行模拟计算，在大量候选结构中选出几种可行方案，大大减少了产品的

5、设计开发过程。2.2超分子化学概念超分子化学是“分子之外”的化学，与生命科学、材料科学等密切相关，是一门高度交叉的科学， 被公认为是 21 世纪化学发展的重要方向 。它站在化学、生物学和物理学的交汇点，研究分子之外的、通过非共价键互相作用而形成的超分子和有组织的多分子体系的复杂性，是化合物分子的“社会学”。非共价互相作用为组分间的价键、互相作用和反应提供了环境，组成了由分子个体组成的“整体社会结构”，对分子的稳定性、易损性、缔合、离析、张力及动力学等均产生较大影响。它的分子信息论和分子智能化概念必将为化学化工研究人员提供新的思路和方法。2.3“原子经济”反应原子经济概念由 Trost 在 19

6、91年首先提出 , 其意图是考察原料分子中的原子转化成产物的利用率。理想的原子经济反应是原料分子中的原子百分之百地转变成产物 , 不产生副产物或废物 ,实现三废的“零排放”。原子经济性可定量地表示为：原子利用率 = 目标产物的相对分子质量 / 反应物质的相对原子质量 100%由上式不难看出，原子经济反应要求新开发的化工工艺不但有高的选择性，而且反应产物尽可能多的成为目标产物，最大限度地利用原料、节约资源、减少排放、降低污染。例如传统的氯乙醇法生产环氧乙烷，因生产过程中产生氯化氢、氯化钙和水 3 种副产物，即使每一步的反应产率、选择性均为100%，这条反应路线的最高原子利用率也只有25%，每生产

7、 1 t环氧乙烷要产生 3 t 副产物和废物。 而乙烯空气直接氧化法由于没有副产物，使其原子利用率最高可达100%。化学化工的总趋势是化学反应、原料、催化剂、溶剂和产品的绿色化。开发新的原子经济反应已成为化学化工绿色化进程中的重要环节，它可使未来化工真正满足人类可持续发展的需要。3 21世纪高速发展的精细化工领域3.1生物化工生物化工是化学化工与生命科学交叉的新兴科学，是当今化学化工的前沿学科。很多科学家认为未来的自然科学中，生物技术将要成为带头学科，甚至预言 21世纪将是生物学世纪。生物技术的发展重点在于生物催化工业化，使其成为切实的生产力。生物催化转化条件温和、选择性高、催化剂制造成本低。

8、生物催化的核心是以酶为催化剂 。酶催化反应速度比非酶催化一般要快1061012 倍，而催化剂用量仅为传统催化剂的0.001%1%。酶催化一般在 2040、2常压、 pH 58 的条件下进行，如此温和的条件使得传统催化易发生的分解、异构、消旋和重排等副反应大为减少。 酶除极少数化学反应不能催化外，几乎能催化各种类型的化学反应 ，所以生物化工将会给化学工业带来一次技术革命。生物化工的应用包括：生物化工制品。由于生物制备法具有众多优势，是化工生产较理想的生产方法，在国外丙烯酰胺、甲醇、醋酸、1,3- 丙二醇等许多化工产品，均实现了生物法生产。生物燃料。用谷物和生物废料 ( 如谷物茎秆、稻草、木屑等

9、) 生物法生产燃料乙醇，可使燃料乙醇生产成本大为降低；利用过剩的菜籽油、豆油或废食用油为原料，与甲醇或乙醇在酸或碱催化剂和230250下进行酯交换， 生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯生物柴油。 手性技术。分子手性在自然界生命活动中起到极为重要的作用，同样一种化学物质因手性不同，可产生截然不同的生理效果。这使得手性合成越来越引起人们的重视，并成为当今合成研究的热点，尤其对于食品和医药、农药行业用品。酶催化是手性合成的主要发展方向。生物农药。与化学农药相比，生物农药以其选择性高、易于降解、用量少、污染小、对人畜毒性小、环境兼容性好、病虫害不易产生抗性等诸多优点，更加顺应现代社会对农药的要求，已成为全球农

10、药产业发展的新趋势。3.2燃料清洁化与替代产品汽车尾气是城市空气污染物的主要来源之一。近年来不断公布的世界燃料规范、欧盟的汽车尾气排放标准、美国的车用汽油硫含量规定，其核心意图无非是在 2008 年以前按计划降低车用汽油中的铅、 硫、烯烃、芳烃等含量，逐步实现燃料清洁化。这实际上也是给燃料油的生产技术提出了具体进展计划。目前，燃料的清洁化和替代品开发和研究主要集中在以下几个方面：采用电控直喷式汽油发动机和高性能三效催化转化器结合，大大降低污染物排放。发展加氢、萃取、吸附、催化、络合、生物等脱硫技术，改善油品质量 , 以保证汽车尾气三效转化器的活性， 防止催化剂中毒。 采用甲醇、 乙醇、二甲醚、

11、合成油、生物柴油、烷基化油等替代产品补充能源，逐步向氢燃料电池、太阳能方向迈进。3.3有机氟有机硅材料由于制冷剂 CFC-11、CFC-12 逸入大气后， 与臭氧发生反应， 成为破坏臭氧层的主要杀手， 关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔协定书 列为二类控制物质。为此，开展其替代品的制备和应用研究 , 已成为当今科技界的热点之一。氟树脂以其优异的耐温性、绝缘性、耐摩擦性、化学稳定性及润滑性，正在成为现代化工业中许多关键技术不可缺少的材料。氟橡胶的 耐热、耐油、耐溶剂、耐强氧化剂等特性，以及良好的机械性能 ，使之在军工、航天航空、汽车、石化等许多领域享有重要地位。氟系涂料以其独特的性能正在建筑、重防腐、

12、汽车涂料等领域取得惊人的发展，并将由此引发涂料市场的巨大变革。无毒低污染、3弱溶剂型氟树脂涂料和水基型环保氟树脂涂料是氟涂料的发展方向。含氟医药具有用量少、 毒性低、药效高等特点， 使其在新医药品种中所占比例越来越大，备受世界关注。许多成为精细化工领域的高附加值、新开发的、有发展前景的精特产品。 有机硅包括各种基团的硅油、 硅橡胶、硅树脂和含硅低分子化合物。它们有很好的耐高低温性能、电绝缘性，特别是介电性能不随温度变化而剧烈变化；介电常数不随频率升高而增加；耐电弧、耐漏电、耐臭氧、耐辐射、耐候、耐燃，是一种不可多得的材料。近年来发展势头强劲。有机硅新材料附加值高，在经济和高新技术方面具有不可替

13、代的重要作用，各国政府竞相研发此类材料。3.4膜的应用及制备膜是一种二维材料，厚度在纳米到微米范围，但其性能优异，应用广泛，备受关注。膜技术是当代新型高效分离技术，与传统技术相比，具有高效、节能、易于控制、操作方便、便于放大等优势，用于各种领域，形成了新兴的高技术产业。专家甚至把膜分离技术与设备的发展称为“第三次工业革命”。反渗透、超滤、微滤和电渗析等是膜分离的主要方法和手段。膜技术的推广与应用或代替其他分离技术已成为科技界的时尚话题。此外，一些全新的膜过程，如膜蒸馏、膜萃取、膜反应、亲和膜分离等，吸取了膜分离和传统分离方法的优点，是膜技术发展的主要方向。纳米技术也为膜技术的发展推波助流。纳滤

14、兼有反渗透和超滤的工作原理，能截留易透过超滤膜的那部分溶质，同时又可使反渗透膜所截留的盐透过，使有机溶质同步得到浓缩和脱盐，堪称为当代最先进的工业分离膜。此外，能响应各种环境变化的先进智能膜材料也正在研发之中。这些智能膜可随环境和空间的变化而变化， 以膜的形式对环境进行感知、响应。主要包括控制通透膜材 ( 温度敏感膜材、 pH 敏感膜材、电场敏感膜材、光敏感膜材等 ) 和传感膜材 ( 化学传感器和生物传感器等 ) 。3.5胶黏剂与涂料胶黏剂今后的发展以环保型的热熔胶、 水基胶黏剂和无溶剂型胶黏剂为主。尤其是热熔胶包装、贮存、使用都极为方便，黏结速度快，适合工业部门的高效自动化操作，加之使用过程

15、中无溶剂挥发，不污染环境，符合环保要求。液态的反应型热熔胶黏剂具有较强的使用价值和经济价值，也将成为信息高速公路和家电产业的必需材料。同样，涂料的发展也是以降低污染、提高性能为目标。环保型涂料 ( 包括各种水性涂料、 粉末涂料、高固体分和辐射固化涂料 ) 成为研究和开发的主体。水性涂料还需要解决烘干时间长、漆膜光泽、装饰性及其他性能方面的问题。粉末涂料固化剂有刺激性或毒性、烘烤温度较高、涂层偏厚、装饰性差等缺点，一旦得到解决，将在未来的环保型涂料中占居重要地位。3.6纳米技术与纳米材料4纳米技术是领导新一轮产业革命、改变人们生活方式的新兴技术之一，将对未来的科技和社会发展产生重大影响，已成为世

16、界列国竞相争夺的科技战略至高点。纳米材料的制造方法很多， 主要有物理气相沉积法 (PVD)、化学气相沉积法 (CVD)、等离子体法、激光诱导法、真空成型法、惰性气体凝聚法、机械合金熔融法、共沉淀法、水热法、水解法、微孔液法、溶胶 - 凝胶法等。由于纳米材料具有比普通材料大得多的比表面积和表面原子占有率，从而产生小尺寸效应、量子效应、表面效应和界面效应，使纳米材料具有奇特的力学、电学、磁学、光学、热学及化学等多方面性能，使其作为一种新型材料在电子、冶金、宇航、化工、生物和医学等领域展现出广阔的应用前景。日前，人们对纳米技术和材料的认识尚属初级阶段，各国均视纳米技术为一门有待开发的具有基础性、战略

17、性、前瞻性的新科技领域 2830 。3.7其他化工新材料除上述外 , 整个精细化工领域范围广、品种多，高性能的、符合时代要求的化工材料不断涌现，如油墨行业为适应高自动化机械要求、防止干燥过程中溶剂造成公害、节约能源，水性化、高固体化、无溶剂化成为油墨发展的必然趋势；对于润滑剂来说，新开发的润滑剂要求热氧化安定性好，低挥发度，高黏度指数，在短时间内被微生物分解为二氧化碳和水，是对环境不造成危害的 “ 绿色产品”。此外，染料、颜料、试剂、信息用化学品、塑料和各种食品饲料添加剂等，特别是电子化学品，虽然与大化工相比其产值微不足道，但电子信息产业发展速度最快，目前已跃居世界第一大高新技术产业，成为衡量

18、国家综合发展水平的重要标志。可以说任何电子信息新产品的问世，都少不了电子化学品的特殊贡献。4 21世纪精细化工研究和发展方向科技发展的目标是造福人类，实现人类社会的可持续发展。目前面临的挑战主要来自于以下几个方面：资源与能源危机，环境污染与治理，人类健康水平和生活质量的提高， 人类生活空间的拓展 ( 空间技术 ) ，高科技产业 ( 信息、生命、物质科学等 ) ；因此，精细化工向如下所述方向发展。4 . 1高尖端、高技术、功能化、专用化，与快速发展的高科技时代接轨全球经济一体化快速发展，跨国公司重组、兼并，使生产更集中、专业化。以信息化技术、生物技术、纳米技术、催化技术、新能源利用技术、新材料技

19、术等为代表的新技术、新品种，将成为化工产业升级换代的巨大动力，多门学科交叉的高新技术会进一步涌现。催化剂、生物医学、纳米材料、功能高分子、精细陶瓷、薄膜材料、复合材料、非晶体材料、智能材料、富勒烯材料、电子信息化学品、光纤材料等方面将形成产业化、商品系列化。膜分离技术、超临界萃取技术、超细粉体技术、分子蒸馏技术，以及利用计算机技术和组合化学技术进行分子设计等都将进一步得到应用。54.2绿色化发展方向，与“全球变化科学”和现行政策接轨全球变化科学核心问题是气候的变化，因大气污染造成的气候变暖现象更是热门话题。世界各国均耗费大量的财物治理三废，排放标准也日趋严格。欧洲的化学品注册评估和许可管理制度

20、，美国的“总统绿色化学挑战年度奖”，其目的都是控制污染、倡导绿色。绿色化工的特点是对环境无毒无害，反应选择性极高。这形成了化学工业的一个重要方向，就是清洁化生产。己内酰胺、丙烯腈丙二醇醚、环氧丙烷等新工艺的开发，涂料、胶黏剂的水性化或无溶剂化，制冷行业的氟里昂及汽油添加剂甲基叔丁基醚的代替，化学致癌物质的禁用及可降解材料的开发利用等种种迹象表明，追求“绿色”、保护环境、保护人们的身心健康将是化学工业未来永恒不变的目标，也是刻不容缓的责任。4.3开发新能源，与日趋紧张的能源形势接轨世界能源有限。现在世界能源消费以石油计约为 80 亿t/a ，地球人口约 60 亿，平均每人每年消费量约为 1.5t

21、 。到21 世纪中叶，预计全球人口将达 100 亿。仅从人口增长数字看， 能源消费的增加是惊人的。 以这种消费速度， 到 2040 年地球上石油将枯竭，天然气、煤也会相继耗尽。随着世界人口不断增加和能耗时间累计，能源紧缺时期将会提前到来。要实现人类可持续发展，就必须解决能源替代问题。要完成这一艰巨任务是离不开化学工业的。根据科学家预测，21 世纪的能源主要为核能、太阳能、风能、地热能、氢能、潮汐能和海洋能。此外，人们还在大力发展乙醇汽油、生物柴油、合成柴油等其他能源来弥补当前的能源问题。所以，在能源替代方面精细化工将会发挥重要的直接或间接作用。4.4开发新方法、新路线，完善传统化工产品生产中存

22、在的问题21 世纪要用一些高新技术改造传统化工，使原有的化工产品纯度提高、分离更彻底、三废排放更少、环境污染更小，使原有的生产技术和产品结构更加完善。目前已发展或正在开发的新技术包括新的合成技术、分离技术、催化技术等。合成新技术有声化学合成、一锅合成法、微波电介质热效应合成、电化学合成、等离子体化学合成、力化学固相合成、冲击波化学合成、手性合成、利用太阳能进行化学合成、超临界状态下化学合成、室温和低热温度下固相化学合成及光化学合成等，备受瞩目的是生物化工合成法如发酵工程、酶工程、基因工程和绿色化学合成法的清洁化生产。新的催化技术主要有配位催化、相转移催化、超强酸超强碱催化、杂多酸催化、胶束催化

23、、氟离子催化、钛化合物催化、纳米粒子催化、光催化、晶格氧选择氧化及非晶态合金加氢催化等，其中发展最快的有配位催化、 相转移催化、 固体强酸强碱催化和纳米催化技术。新的分离技术主要有液膜分离、渗透气化膜分离、反渗透膜分离、电渗、超滤、微滤、纳滤、聚滤气体膜分离、双相萃取、膜萃取、电泳萃取、酶膜反应萃取、加盐蒸馏、分子蒸馏、膜蒸馏及其他一些重结晶、干燥和色谱分离技术，其中6以各种膜分离、萃取和分子蒸馏技术发展最快。其他先进技术还有分离与反应偶合 - 反应蒸馏技术、 分离与分离偶合 - 吸附蒸馏技术、 高聚物改性技术、复合材料技术、精细加工技术、材料成型技术、化工模拟技术、复配技术、计算机化工应用技

24、术、超高温超低温技术和高真空超高压技术、贮能技术、再生资源利用技术和固体废物回收技术等。这些技术的频频出现和应用，必将给传统化工带来一次技术革命，优胜劣汰提高效率，满足当今时代要求。超分子化学超分子化学是一门处于近代化学、材料化学和生命科学交汇点的新兴学科。它的发展不仅与大环化学（冠醚、穴醚、环糊精、杯芳烃、碳60 等）的发展密切相连，而且与分子自组装（双分子膜、胶束、 DNA双螺旋等）、分子器件和新兴有机材料的研究息息相关。 到目前为止， 尽管超分子化学还没有一个完整、精确的定义和范畴，但它的诞生和成长却是生机勃勃、充满活力的。现代化学与 18、19 世纪的经典化学相比较， 其显著特点是从宏

25、观进入微观，从静态研究进入动态研究，从个别、细致研究发展到相互渗透、相互联系的研究，从分子内的原子排列发展到分子间的相互作用。从某种意义上讲，超分子化学淡化了有机化学、无机化学、生物化学和材料化学之间的界限，着重强调了具有特定结构和功能的超分子体系， 将四大基础化学 （有机化学、 无机化学、分析化学和物理化学）有机地融合为一个整体，从而为分子器件、材料科学和生命科学的发展开辟了一条崭新的道路， 且为 21 世纪化学发展提供了一个重要方向。超分子化学并非高不可攀， 有许多超分子结构似乎都可见我们的日常生活。例如，可以把轮烷（ rotaxane ）比为东方的算盘；索烃（ catenane ）舞池中

26、的一对舞伴； C60类似于圆拱建筑；环糊精（ cyclodextrins ）和激光唱盘（ CD）有同样的简称何信息存放功能； DNA双螺旋泽与家喻户晓的早餐佐食麻花多少有点相似。以非共价键弱相互作用力键合起来的复杂有序且有特定功能的分子结合体“超分子”是共价键分子化学的一次升华，被称为“超越分子概念的化学”，它不仅在材料科学、信息科学，而且在生命科学中均具有重要的理论意义和广阔的应用前景。为了鼓励和推进超分子化学的深入研究，1987 年诺贝尔化学奖授予了超分子化学研究方面的三位科学家：美国的佩德森（Pedersen C J ）、克拉姆（ Cram D J ）和法国的莱恩（Lehn J M ）。莱恩在获奖演说中曾为超分子化学作了如下解释：超分子化学式研究两种以上的化学物种通过分子间力相互作用缔结而成的具有特定结构和功能的超分子体系的科学。7