王文霄(山東德辰注冊安全工程師事務(wù)所有限公司,山東 淄博 255000)
精細(xì)化工產(chǎn)品種類多、附加值高、用途廣、產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度大,直接服務(wù)于國民經(jīng)濟(jì)的諸多行業(yè)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。大力發(fā)展精細(xì)化工已成為世界各國調(diào)整化學(xué)工業(yè)結(jié)構(gòu)、提升化學(xué)工業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和企業(yè)競爭力的戰(zhàn)略重點(diǎn)。
通常,精細(xì)化工生產(chǎn)過程工藝流程長、單元反應(yīng)多、過程控制要求嚴(yán)格,中間會用到催化技術(shù),主要目的是提升原料反應(yīng)效率。目前行業(yè)中應(yīng)用較多的催化技術(shù)可分為化學(xué)催化技術(shù)與生物催化技術(shù)。
相較于普通化學(xué)工業(yè)產(chǎn)品,精細(xì)化學(xué)工業(yè)產(chǎn)品有著一定的特殊性。這尤其體現(xiàn)在化學(xué)結(jié)構(gòu)層面,是因?yàn)楫a(chǎn)品合成涉及多種不同的原料,這些原料通常會在各類技術(shù)尤其是合成催化技術(shù)的作用下,經(jīng)歷一系列化學(xué)反應(yīng)流程,生成特定的化工產(chǎn)品。催化劑在其中起到的作用主要為加快化學(xué)反應(yīng)速度。目前在這一領(lǐng)域中,對轉(zhuǎn)移催化技術(shù)的應(yīng)用是最多的。
催化加氫是化學(xué)催化轉(zhuǎn)移技術(shù)中的一種。該技術(shù)的優(yōu)勢在于化學(xué)反應(yīng)過程能耗少,且在實(shí)際操作中,技術(shù)人員無需用到較多的有毒試劑,有利于保障操作安全,同時(shí)有利于生態(tài)環(huán)境保護(hù),有利于促進(jìn)精細(xì)化工生產(chǎn)行業(yè)的綠色化發(fā)展。
該技術(shù)具體包括兩大類,即直接催化轉(zhuǎn)移加氫技術(shù)與催化轉(zhuǎn)移加氫技術(shù)。在處理一些難以溶于反應(yīng)介質(zhì)的過渡金屬時(shí),技術(shù)人員常會用到氫氣還原法,該方法以分子氫作為化學(xué)反應(yīng)來源,若化合物本身具有催化劑功能,也可應(yīng)用此種方法進(jìn)行催化加氫。在化學(xué)反應(yīng)條件相對溫和的情況下,可將C-C 雙鍵加工為官能團(tuán),若為鈀碳催化劑給予加氫處理,也可生成精細(xì)化工品,如蒎烯[1]。完成如上步驟后,技術(shù)人員應(yīng)對催化劑做好過濾處理,再將其回收,避免發(fā)生失活現(xiàn)象,但受空間位阻因素的影響,采用上述方法進(jìn)行化學(xué)合成催化,化學(xué)反應(yīng)的速度并不很快。此外,轉(zhuǎn)移加氫法在實(shí)際生產(chǎn)中也較為常用,通常會用醇、烴作為氫源,溫和反應(yīng)條件下,采用此種方式進(jìn)行催化,有利于保障生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行安全。若使用NiBr2作為催化劑,用異丙醇作氫源,可對端烯進(jìn)行轉(zhuǎn)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(huán)二辛烯經(jīng)如上加工處理后,會生成兩種不同的物質(zhì),即環(huán)辛烷與環(huán)辛烯。
除上文所述的催化加氫技術(shù)外,芳香族化合物加氫技術(shù)、硝基加氫技術(shù)與醌加氫技術(shù)在精細(xì)化工生產(chǎn)中也有著較高的利用率,功效各不相同,這里不再進(jìn)行一一介紹。
相較于化學(xué)催化技術(shù),生物催化技術(shù)更多位于化學(xué)、生物技術(shù)的中間地帶,是一個(gè)學(xué)科交叉性很強(qiáng)的研究領(lǐng)域,在化學(xué)合成加工中,與過程控制有關(guān)。實(shí)際生產(chǎn)中,多數(shù)酶的反應(yīng)條件都十分溫和,采用生物催化技術(shù),進(jìn)行酶合成反應(yīng),更多適用于對高分子、大分子化合物的催化處理。技術(shù)人員可使用此類方法,改變高分子化合物的性質(zhì),令其更為順利地參與化學(xué)合成反應(yīng),保障產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。通常情況下,在同一個(gè)反應(yīng)罐中,可同時(shí)發(fā)生多種不同的酶催化反應(yīng),最終生成的物質(zhì)多為非天然物質(zhì)。更具優(yōu)勢的是,在生物催化技術(shù)的應(yīng)用下,技術(shù)人員可反復(fù)利用微生物與酶,以多元化的催化反應(yīng),生成不同的物質(zhì),降低精細(xì)化工生產(chǎn)能耗,幫助化工廠實(shí)現(xiàn)能耗控制目標(biāo)[2]。此外,在傳統(tǒng)的精細(xì)化工生產(chǎn)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(zhì)、鹵素化學(xué)物及環(huán)狀化合物,但使用酶類催化劑進(jìn)行催化,就可幫助技術(shù)人員解決這些問題,可實(shí)現(xiàn)對化工生產(chǎn)廢棄物的降解處理,從而遏制生態(tài)環(huán)境污染問題的發(fā)生。
目前,生物催化技術(shù)在精細(xì)化工產(chǎn)品生產(chǎn)中,更多被應(yīng)用于對手性物質(zhì)的合成。例如,技術(shù)人員可兼用高效篩選技術(shù)、生物誘變技術(shù),對原料實(shí)施化學(xué)合成處理,此種情況下,化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)多為酶及各種微生物?,F(xiàn)階段看來,酶在精細(xì)化工產(chǎn)品生產(chǎn)中的應(yīng)用率尤其高,如在合成青霉素時(shí),常會用到?;?;在手性胺合成中常會用到氨基轉(zhuǎn)移酶;在冬氨酸物質(zhì)合成中常用到固定化大腸桿菌。這皆體現(xiàn)了對生物誘變技術(shù)的應(yīng)用。
此外,也可將此類催化技術(shù),應(yīng)用到石油、藥品生產(chǎn)領(lǐng)域中,作為歧化催化劑進(jìn)行使用。除此之外,技術(shù)人員也可將生物催化劑用在取代反應(yīng)中,借助酶的影響作用,以取代反應(yīng),生成全新的物質(zhì),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(chǎn)中,應(yīng)用生物催化劑,合成手性化合物。如在生產(chǎn)帕羅西訂、立普妥等藥物時(shí),技術(shù)人員就可采用如上技術(shù)[3]。但現(xiàn)階段,生物催化技術(shù)的可推廣性并不高,尤其是經(jīng)濟(jì)適用性不佳,同時(shí)很多內(nèi)外界因素都會影響催化反應(yīng)的正常發(fā)生,如溫度等。例如,45 ℃溫度條件下,蛋白質(zhì)活性有可能受到影響,導(dǎo)致催化反應(yīng)質(zhì)量下降,經(jīng)化學(xué)反應(yīng)后得到的物質(zhì)很難被分離開來,影響產(chǎn)品質(zhì)量。
生物催化、生物轉(zhuǎn)化技術(shù)在精細(xì)化工生產(chǎn)領(lǐng)域中,實(shí)際上并不屬于新興事物,很多企業(yè)很早以前便已著手開始探索對此類技術(shù)的應(yīng)用,相關(guān)部門也已針對這一部分內(nèi)容,制定了一系列的鼓勵(lì)、扶持政策,力求推動相關(guān)行業(yè)及科技的發(fā)展。目前對新型生物催化劑的研發(fā)已初具成果,對催化劑改造技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用也已提上日程,在催化劑理論知識、科研成果越發(fā)完善的時(shí)代背景下,我國精細(xì)化工產(chǎn)品生產(chǎn)行業(yè)對脂肪酶、氧化還原酶的研究與應(yīng)用已達(dá)到世界領(lǐng)先水平,為此類技術(shù)在精細(xì)化工產(chǎn)品生產(chǎn)中的深入應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。
醫(yī)藥品是精細(xì)化學(xué)品領(lǐng)域最典型的組成部分。醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)屬于技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè),對各類專業(yè)知識、技術(shù)的要求十分嚴(yán)格,因此醫(yī)藥用精細(xì)化學(xué)品研制、生產(chǎn)必然會用到多種先進(jìn)的合成催化技術(shù)。目前該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展形勢看好,在引入生物催化技術(shù)后,一系列研發(fā)成果應(yīng)運(yùn)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(gòu)體,大量數(shù)據(jù)表明,在現(xiàn)階段的臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中,手性物質(zhì)應(yīng)用率相當(dāng)高。且隨著醫(yī)藥技術(shù)的發(fā)展,這一數(shù)據(jù)越發(fā)升高,為生物合成催化技術(shù)在醫(yī)藥領(lǐng)域中的深化應(yīng)用打下了扎實(shí)的基礎(chǔ),為精細(xì)化藥品研發(fā)與生產(chǎn)提供了源源不斷的技術(shù)支持[4]。
食品與飼料添加劑也是典型的精細(xì)化工品。添加劑的生產(chǎn)過程常離不開各種精細(xì)化工品的參與,現(xiàn)階段看來,食品添加劑的種類多種多樣,在生產(chǎn)過程中用到生物催化技術(shù)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(shù)在這一領(lǐng)域中有著較高的應(yīng)用率與較好的應(yīng)用態(tài)勢。此外生物催化劑在飼料生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用也十分可觀,有抗生素、酶、營養(yǎng)補(bǔ)給劑等幾類,且應(yīng)用規(guī)模越發(fā)增大,相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,生物催化劑在這一行業(yè)中的應(yīng)用會變得更加廣泛。
現(xiàn)代人的日常生活離不開對各種日用精細(xì)化學(xué)品的使用。如在生活用品、家居用品中,就有很多精細(xì)化工產(chǎn)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(xì)化工品?,F(xiàn)階段看來,生物催化技術(shù)在這類化工品的生產(chǎn)中,扮演了重要的角色。如芳香醛、芳香醇在生產(chǎn)過程中,就用到了此類技術(shù),此外,牙膏、飲料生產(chǎn)中運(yùn)用的很多賦香劑,如薄荷醇香料,在生產(chǎn)中也會用到生物催化技術(shù)。值得說明的是,這一化學(xué)品在醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)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(nèi)服,可治療很多炎癥,這是因?yàn)楸『纱级鄟碓从诒『蛇@一草本植物,是從植物中提取,再經(jīng)合成方法生產(chǎn)而成。
助劑又稱工業(yè)味精,在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用率很高。目前,助劑生產(chǎn)已成為社會中重要的新型產(chǎn)業(yè),在材料、食品藥品、農(nóng)藥、汽車、建筑等制造加工領(lǐng)域中都有著較好的應(yīng)用態(tài)勢。如在生產(chǎn)塑料的過程中,就會用到多種不同的工業(yè)助劑,如無毒增塑劑。此外,這一物質(zhì)在食品包裝方面的應(yīng)用率也極高,醫(yī)藥行業(yè)內(nèi),這一物質(zhì)在器械與藥物包裝中的應(yīng)用也較多,如對各種注射器及膠囊的生產(chǎn)就需用到此種物質(zhì)。在玩具生產(chǎn)領(lǐng)域中,對無毒增塑劑的應(yīng)用,甚至已經(jīng)超過了對石化鄰苯類增塑劑的應(yīng)用,可見該種精細(xì)化工品有著極為可觀的市場發(fā)展前景。
棕櫚酸異辛酯有著較強(qiáng)的熱穩(wěn)定性,在精細(xì)化工生產(chǎn)中也屬于應(yīng)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(yīng)用到化妝品、紡織用品的生產(chǎn)中。目前人們已針對這一化工品,開發(fā)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(chǎn)技術(shù),這有利于降低化工品生產(chǎn)能耗,幫助化工廠控制對污染物的排放,達(dá)到綠色發(fā)展目標(biāo)。
4.1.1 裂解酶在化學(xué)制藥中的應(yīng)用
酶催化技術(shù)在醫(yī)藥領(lǐng)域中有著極高的應(yīng)用率、良好的應(yīng)用態(tài)勢與廣闊的應(yīng)用前景,如裂解酶的應(yīng)用。技術(shù)人員可應(yīng)用C-C 或C-O 等不飽和鍵,借助此類物質(zhì)的作用,進(jìn)行加成或消除操作,形成精細(xì)化工產(chǎn)品。值得肯定的是,在上述技術(shù)流程中,裂解酶催化小分子有著一定的可選擇性,可發(fā)生醛縮反應(yīng),延長醛縮的碳單元[5]。研究表明,此種化學(xué)反應(yīng)與化學(xué)醛縮反應(yīng)有著較強(qiáng)的相似性,即都是在醛中加入帶有負(fù)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(jīng)系統(tǒng)的一類物質(zhì),在低血壓治療中有著較高的應(yīng)用率。實(shí)際生產(chǎn)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(dá)到化學(xué)制藥目的。
4.1.2 轉(zhuǎn)移酶在化學(xué)制藥中的應(yīng)用
實(shí)際生產(chǎn)過程中,甲基、糖基、氨基等特定基團(tuán)具有特殊的功能,可借助轉(zhuǎn)移酶,對其他底物分子實(shí)施轉(zhuǎn)移處理,形成輔助因子,達(dá)到精細(xì)化工產(chǎn)品生產(chǎn)目的。通常情況下,在使用轉(zhuǎn)移酶完成如上操作的過程中,工廠還需應(yīng)用到輔酶這一物質(zhì),轉(zhuǎn)氨酶是現(xiàn)階段化學(xué)制藥中應(yīng)用較多的轉(zhuǎn)移酶,輔酶方面可使用磷酸吡哆醛,是維生素B6 的合成物質(zhì)。采用如上物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),會生成西夫堿,可進(jìn)一步結(jié)合酶的催化反應(yīng)特性,完成完整的化學(xué)反應(yīng)流程。但實(shí)際操作中,轉(zhuǎn)氨酶底物的特異性通常較低,完成化學(xué)反應(yīng)的速率很快,在氨基酸合成中尤其具有較高的應(yīng)用率,可幫助工廠加快對手性藥物的生產(chǎn)。如生產(chǎn)L-絲氨酸物質(zhì)就可用到此類物質(zhì),這是典型的藥物氨基酸,在市場中銷售態(tài)勢看好??衫媒z氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶,對甘氨酸與甲醛實(shí)施催化反應(yīng),完成精細(xì)化工合成流程。
4.1.3 氧化酶在化學(xué)制藥中的應(yīng)用
化學(xué)制藥過程也常會借助氧化還原反應(yīng),對氧化酶的應(yīng)用至關(guān)重要。如在生產(chǎn)丙肝病毒蛋白抑制劑時(shí),就需用到氧化酶,在生產(chǎn)植物激素松脂醇時(shí),更是會用到這一物質(zhì)。后者現(xiàn)階段被應(yīng)用于對多種疾病的治療中,具有良好的療效,有著較為穩(wěn)定的機(jī)體保護(hù)作用。可借助青霉菌中的香草醇氧化酶,采用丁子香,合成如上物質(zhì),整個(gè)合成過程無需耗費(fèi)較多成本即可完成,生產(chǎn)規(guī)??捎^,且生產(chǎn)效率也很高,化學(xué)反應(yīng)過程較為穩(wěn)定,有利于幫助化工廠實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn),取得更為理想的經(jīng)濟(jì)效益。
為進(jìn)一步強(qiáng)化合成催化劑在精細(xì)化工品生產(chǎn)中的應(yīng)用,相關(guān)工作者有必要面向催化技術(shù)做好頂層設(shè)計(jì),結(jié)合政策、行業(yè)形勢,不斷加大項(xiàng)目研發(fā)力度、提升項(xiàng)目研發(fā)質(zhì)量,從資金、技術(shù)、人才等角度出發(fā),為研發(fā)者給予充足的支持,力求研發(fā)出一批又一批符合行業(yè)發(fā)展需要、先進(jìn)且安全的精細(xì)化工催化劑。在“十四五”發(fā)展期間,相關(guān)工作者可結(jié)合市場需求,進(jìn)一步優(yōu)化精細(xì)化工科技生產(chǎn)模式,加大科研生產(chǎn)力度。如可強(qiáng)化與市場中各類企業(yè)的合作,提升科研項(xiàng)目與企業(yè)新產(chǎn)品、新技術(shù)的契合性,促進(jìn)新催化劑的生成[6]。此外還應(yīng)調(diào)整好精細(xì)化工技術(shù)研究方向,目前看來,氧化、酯化、不對稱合成化學(xué)反應(yīng)技術(shù)有著較為理想的研發(fā)前景,因此相關(guān)工作者可以聚焦于此,進(jìn)行有針對性的研究,積極吸納高素質(zhì)人才,組建起優(yōu)質(zhì)的科研團(tuán)隊(duì),不斷結(jié)合實(shí)際需求,優(yōu)化對催化劑的研發(fā)及制作。如可利用當(dāng)下炙手可熱的基因編輯技術(shù),改造生物酶,使反應(yīng)條件變得更為溫和,反應(yīng)過程變得更為穩(wěn)定,促進(jìn)精細(xì)化工生產(chǎn)的綠色化發(fā)展。
現(xiàn)階段看來,有關(guān)單位對精細(xì)化學(xué)品合成催化技術(shù)研發(fā)給予了充足的資金支持,但技術(shù)、產(chǎn)品研發(fā)依然較為分散,缺乏較為明確的研發(fā)戰(zhàn)略,阻礙了研發(fā)工作的順利進(jìn)行。對此,相關(guān)單位及企業(yè)有必要積極結(jié)合市場形勢及技術(shù)資源情況,加大技術(shù)及優(yōu)勢產(chǎn)品研發(fā)力度,杜絕同質(zhì)化競爭。相關(guān)工作者在研發(fā)新技術(shù)、新產(chǎn)品的過程中,應(yīng)堅(jiān)持從全局出發(fā),進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)及選擇。如對于復(fù)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(shù)、產(chǎn)品研發(fā)中應(yīng)慎重考慮,對于路線簡單的大規(guī)模合成,催化劑的成本權(quán)重又較大,應(yīng)用及研究的積極性有限,這就需要相關(guān)工作者理性地進(jìn)行定奪,提升產(chǎn)品及技術(shù)的適配性。
目前催化技術(shù)產(chǎn)業(yè)化程度還有較大的提升空間,相關(guān)機(jī)構(gòu)對催化技術(shù)的研究,往往過于重視增強(qiáng)技術(shù)的創(chuàng)新性,忽視針對技術(shù)研發(fā),設(shè)定合理的時(shí)間節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)導(dǎo)向,難以發(fā)掘催化技術(shù)在精細(xì)化工產(chǎn)品生產(chǎn)中的更為廣闊的應(yīng)用機(jī)會,阻礙了技術(shù)研發(fā)進(jìn)程。對于此,建議有機(jī)合成、藥物合成、精細(xì)有機(jī)合成等學(xué)科領(lǐng)域的專家聚集到一起,組建科研團(tuán)隊(duì),與市場占有率較高且具有一定影響力的企業(yè)展開傾力合作,在行業(yè)中形成更為完善的產(chǎn)學(xué)研合作模式,促進(jìn)科研與產(chǎn)業(yè)的緊密結(jié)合,提升技術(shù)產(chǎn)業(yè)化程度。
以醫(yī)藥、農(nóng)藥或其他功能性化工品為基礎(chǔ)的精細(xì)化學(xué)品,及結(jié)構(gòu)明確的高效工業(yè)產(chǎn)品,代表了現(xiàn)代工業(yè)有機(jī)化學(xué)的發(fā)展方向,代表了行業(yè)的進(jìn)步方向。而對此類產(chǎn)品的生產(chǎn),離不開對有機(jī)合成技術(shù)的應(yīng)用,但這類技術(shù)在生產(chǎn)過程中,為生態(tài)環(huán)境帶來的污染較為嚴(yán)重,不符合生態(tài)文明建設(shè)理念。因此建議相關(guān)工作者大力推進(jìn)有機(jī)合成技術(shù)與生物技術(shù)的交叉集成,借助后者的綠色、安全特點(diǎn),提升精細(xì)化工產(chǎn)品集成的環(huán)境友好性,創(chuàng)造良好的生態(tài)效益,解決精細(xì)化工生產(chǎn)現(xiàn)存問題,為市場提供更多的技術(shù)、產(chǎn)品及產(chǎn)業(yè)機(jī)會,促進(jìn)行業(yè)的進(jìn)步發(fā)展。
綜上所述,催化技術(shù)在精細(xì)化學(xué)品生產(chǎn)中有著極高的應(yīng)用率,為提升生產(chǎn)效率及生產(chǎn)質(zhì)量提供了重要的技術(shù)手段,相關(guān)工作者應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對此類技術(shù)的研究,幫助企業(yè)結(jié)合技術(shù)、市場實(shí)際情況,生產(chǎn)多元化的具有市場優(yōu)勢的精細(xì)化工產(chǎn)品,綜合利用多種不同的催化技術(shù),實(shí)現(xiàn)化學(xué)催化技術(shù)與生物催化技術(shù)的優(yōu)勢互補(bǔ),優(yōu)化技術(shù)工藝,為企業(yè)的進(jìn)步發(fā)展提供源源不斷的技術(shù)支持。同時(shí)化工生產(chǎn)企業(yè)也應(yīng)不斷完善對各種先進(jìn)技術(shù)的引入及應(yīng)用,提升產(chǎn)品研發(fā)的戰(zhàn)略性,促進(jìn)化工行業(yè)向高端化、精細(xì)化、綠色化發(fā)展。