催化剂提高原子经济的作用和本质

催化剂提高原子经济的作用和本质

化学在人类社会发展的历史长河中起着十分重要而积极的作用，化学提供了染料，人类才能穿上鲜艳绚丽的衣服; 化学提供了农药和药物，人类才有今天丰富多彩的食品和生活;化学提供了各种性能的材料，人类才有现代化的生活条件; 化学解决了各种能源，人类才有今天多种方便的交通条件。但是，在人类物质生活不断提高和工业化高度发展的同时，大量排放的工业和生活污染物却反过来使人类的生存环境迅速恶化，这就使化学家面临新的挑战，即要去发展对人类健康和环境较少危害的化学。目前合成化学家们以一定的环境污染为代价合成出人类社会进步所需的物质，但如今作为化学家还必须考虑如何控制污染、阻止污染物的生成，即发展原子经济性反应。原子经济性反应是现代合成化学工作者需要时刻放在心中的指导方针，在新反应及过程的设计中应注重化学的创新，应用新型的、可再生的、廉价的环境友好

一、原子经济的提出

Trost 在 1991 年首先提出了原子经济性的概念，这一概念引导人们如何去设计有机合成，在设计合成途径中，如何经济地利用原子，避免用保护基或离去基团，这样设计的合成方法就不会有废物而是环境友好的。

Trost 认为，合成效率(synthetic efficiency)成了当今合成方法学研究中关注的焦点。合成效率包括两个方面，一是选择性(化学、区域、非对映体和对映体选择性); 另一个就是原子经济性(atom econom y) ，即原料分子中究竟有百分之几的原子转化成了产物。一个有效的合成反应不但要有高度的选择性，而且必须具备较好的原子经济性，尽可能充分地利用原料分子中的原子。理想的原子经济性的合成反应应该是原料分子中的原子百分之百地转变成产物，不需要附加，或仅仅需要无损耗的促进剂，即催化剂。例如在下列反应中:

A + B=C+ D

C为产物，D 为副产物。在原子经济性的反应中，D 应减至非常小或接近零，即:

A +

B =C

二、原子经济的利用的实例

2.1.制备环氧丙烷

制备环氧丙烷传统方法

制备环氧丙烷的新方法

优点：

使用银作为催化剂，直接合成目标分子，原子利用率达到100%。

氧气作为催化剂对人以及环境都是安全的

反应后不需要分离以及纯化

2.2.制备丙烯酸甲酯

制备丙烯酸甲酯传统方法

制备丙烯酸甲酯新方法

优点：

原子利用率极高，理论可达100 %

相对于氢氰酸，一氧化碳和甲醇对人员以及设备都要安全。

反应过程没有产生废弃物。

三、化工实际生产中提升原子经济性的途径

在实际化工生产过程当中，要使整个生产更加环保、绿色，可以通过改进工艺流程、降低副产物和废物的产生和排放等方式来实现，此外，选择原子经济性反应也是非常重要的一种途径。尤其是对于大宗有机原料的生产来说，采用原子经济性反应能最大限度地节约原料资源，并大幅度降低副产物的产生，实现清洁生产。而要提升实际生产过程中的原子经济性即原子利用率，可以通过采用新合成原料、简化合成步骤以及开发新型催化剂等途径来改善合成工艺，从而达到目的。

3.1采用新合成原料

传统丙酮氰醇(ACH)法合成MMA

Alpha法合成MMA

Alpha 工艺，反应分两步：第一步乙烯与甲醇、一氧化碳在 Pd催化剂下发生羰基化和酯化反应生成丙酸甲酯(MP)，采用的催化剂为钯基催化剂，其具有高活性、高选择性和使用寿命长的特点，同时反应条件温和；第二步MP 与HCHO 在碱催化剂或酸催化剂下反应生成MMA 和水，具有较高的 MMA 选择性。然后采用分馏法分离出 MMA，分离过程需严格抑制 MMA 聚合。第一步反应具有较高原料转化率和 MP 收率，达到 99.9%。第二步，使用K/γ-Al2O3 催化剂。在优化条件下，丙酸甲酯的转化率为51.5%，甲基丙烯酸甲酯的收率为39.2%，甲基丙烯酸甲酯的选择性为76.1%。

3.2简化合成步骤

消炎镇痛药物布洛芬的合成

与Boots工艺相比，BHC工艺是一个典型的原子经济性反应，不但合成简单，只需三步反应即可得到产品布洛芬，原料利用率高，而且无需使用大量溶剂和避免产生大量废物，对环境造成的污染小。其原子经济性达77.4%，也就是说

新方法可少产废物。如果考虑副产物乙酸的回收，BHC合成布洛芬工艺的原子有效利用率可高达99%

3.3催化剂技术应用

催化技术在化工生产中起着关键性作用。据统计，目前约有60%的化工产品和90%的化工工艺都离不开催化反应。传统的催化过程主要用于石油炼制、化工

过程和防治污染三大领域。而今天的催化技术则已经渗透到化工生产的各个领域，在节省资源和能源、原料路线转换以及环境保护等方面发挥着越来越重要的作用。今后世界催化技术的发展方向主要集中在以下几个方面：

1.进一步提高催化反应的收率和催化剂的选择性

2.加强对催化剂结构功能研究，通过对催化剂的结构设计来提高催化反应的可

预测性，以缩短催化剂的开发周期，并最终降低化工产品成本。

3.开发新的催化剂使用和回收工艺，以最大限度地减少催化剂的补充量。

4.进一步改进催化反应器的设计，以取得化学反应中传质与催化的完美结合，

降低设备投资和操作费用。

5.开发新的催化剂和加强对老催化剂的改进，进一步提高化学品的性能，增加

产品品种和品级。

3.3.1新催化技术

1.环保催化技术

2.酶催化技术

3.碳一化学催化技术

4.合成氨催化技术

5.大规模烃类晶格氧化技术

四、结语

原子经济性反应有两个显著的优点：①最大限度地利用了原料；②最大限度地减少了废物的排放，减少了环境污染。在人类进入 21 世纪，社会的可持续发展及其所涉及的生态、环境、资源、经济等方面的问题，愈来愈成为国际社会关注的焦点。因此探索具有原子经济性的反应必将成为当今合成策略设计的一个重要组成部分。而催化剂在原子经济发展中占有不可代替的地位，因此催化剂的探究以及对原有催化剂的改造更会成为研究重点。

五、参考文献：

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