21世纪精细化工的发展

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1991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 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。

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106~1 012 倍，而催化剂用量仅为传统催化剂的0.001%~1%。

酶催化一般在20~40℃、常压、pH 5~8 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：①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。

②生物燃料。

用谷物和生物废料（如谷物茎秆、稻草、木屑等）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230~250℃下进行酯交换，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯生物柴油。

③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。

④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：①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。

②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。

③采用甲醇、乙醇、二甲醚、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、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、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。