精细化学品合成催化技术的应用与发展建议

王文霄(山东德辰注册安全工程师事务所有限公司，山东 淄博 255000)

0 引言

精细化工产品种类多、附加值高、用途广、产业关联度大，直接服务于国民经济的诸多行业和高新技术产业的各个领域。大力发展精细化工已成为世界各国调整化学工业结构、提升化学工业经济效益和企业竞争力的战略重点。

通常，精细化工生产过程工艺流程长、单元反应多、过程控制要求严格，中间会用到催化技术，主要目的是提升原料反应效率。目前行业中应用较多的催化技术可分为化学催化技术与生物催化技术。

1 化学催化技术

相较于普通化学工业产品，精细化学工业产品有着一定的特殊性。这尤其体现在化学结构层面，是因为产品合成涉及多种不同的原料，这些原料通常会在各类技术尤其是合成催化技术的作用下，经历一系列化学反应流程，生成特定的化工产品。催化剂在其中起到的作用主要为加快化学反应速度。目前在这一领域中，对转移催化技术的应用是最多的。

1.1 催化加氢技术

催化加氢是化学催化转移技术中的一种。该技术的优势在于化学反应过程能耗少，且在实际操作中，技术人员无需用到较多的有毒试剂，有利于保障操作安全，同时有利于生态环境保护，有利于促进精细化工生产行业的绿色化发展。

该技术具体包括两大类，即直接催化转移加氢技术与催化转移加氢技术。在处理一些难以溶于反应介质的过渡金属时，技术人员常会用到氢气还原法，该方法以分子氢作为化学反应来源，若化合物本身具有催化剂功能，也可应用此种方法进行催化加氢。在化学反应条件相对温和的情况下，可将C-C 双键加工为官能团，若为钯碳催化剂给予加氢处理，也可生成精细化工品，如蒎烯[1]。完成如上步骤后，技术人员应对催化剂做好过滤处理，再将其回收，避免发生失活现象，但受空间位阻因素的影响，采用上述方法进行化学合成催化，化学反应的速度并不很快。此外，转移加氢法在实际生产中也较为常用，通常会用醇、烃作为氢源，温和反应条件下，采用此种方式进行催化，有利于保障生产设备的运行安全。若使用NiBr2作为催化剂，用异丙醇作氢源，可对端烯进行转移加氢处理。此外，Rh4(CO)12也可用作催化剂，氢源与前者一致，在紫外线照射的条件下，环二辛烯经如上加工处理后，会生成两种不同的物质，即环辛烷与环辛烯。

1.2 其他加氢技术

除上文所述的催化加氢技术外，芳香族化合物加氢技术、硝基加氢技术与醌加氢技术在精细化工生产中也有着较高的利用率，功效各不相同，这里不再进行一一介绍。

2 生物催化技术的发展

相较于化学催化技术，生物催化技术更多位于化学、生物技术的中间地带，是一个学科交叉性很强的研究领域，在化学合成加工中，与过程控制有关。实际生产中，多数酶的反应条件都十分温和，采用生物催化技术，进行酶合成反应，更多适用于对高分子、大分子化合物的催化处理。技术人员可使用此类方法，改变高分子化合物的性质，令其更为顺利地参与化学合成反应，保障产品生产质量。通常情况下，在同一个反应罐中，可同时发生多种不同的酶催化反应，最终生成的物质多为非天然物质。更具优势的是，在生物催化技术的应用下，技术人员可反复利用微生物与酶，以多元化的催化反应，生成不同的物质，降低精细化工生产能耗，帮助化工厂实现能耗控制目标[2]。此外，在传统的精细化工生产过程中使用催化剂，还会令化工厂排出的废水中含有溶剂类物质、卤素化学物及环状化合物，但使用酶类催化剂进行催化，就可帮助技术人员解决这些问题，可实现对化工生产废弃物的降解处理，从而遏制生态环境污染问题的发生。

目前，生物催化技术在精细化工产品生产中，更多被应用于对手性物质的合成。例如，技术人员可兼用高效筛选技术、生物诱变技术，对原料实施化学合成处理，此种情况下，化学反应产生的物质多为酶及各种微生物。现阶段看来，酶在精细化工产品生产中的应用率尤其高，如在合成青霉素时，常会用到酰化酶；在手性胺合成中常会用到氨基转移酶；在冬氨酸物质合成中常用到固定化大肠杆菌。这皆体现了对生物诱变技术的应用。

此外，也可将此类催化技术，应用到石油、药品生产领域中，作为歧化催化剂进行使用。除此之外，技术人员也可将生物催化剂用在取代反应中，借助酶的影响作用，以取代反应，生成全新的物质，如用L-半胱氨酸、L-高丝氨酸配合生物催化剂生成L-胱硫醚。也可在药物与中间体生产中，应用生物催化剂，合成手性化合物。如在生产帕罗西订、立普妥等药物时，技术人员就可采用如上技术[3]。但现阶段，生物催化技术的可推广性并不高，尤其是经济适用性不佳，同时很多内外界因素都会影响催化反应的正常发生，如温度等。例如，45 ℃温度条件下，蛋白质活性有可能受到影响，导致催化反应质量下降，经化学反应后得到的物质很难被分离开来，影响产品质量。

3 基于生物合成的精细化学品种类

生物催化、生物转化技术在精细化工生产领域中，实际上并不属于新兴事物，很多企业很早以前便已着手开始探索对此类技术的应用，相关部门也已针对这一部分内容，制定了一系列的鼓励、扶持政策，力求推动相关行业及科技的发展。目前对新型生物催化剂的研发已初具成果，对催化剂改造技术的研发与应用也已提上日程，在催化剂理论知识、科研成果越发完善的时代背景下，我国精细化工产品生产行业对脂肪酶、氧化还原酶的研究与应用已达到世界领先水平，为此类技术在精细化工产品生产中的深入应用打下了良好的基础。

3.1 医药用精细化学品

医药品是精细化学品领域最典型的组成部分。医药产业属于技术密集型产业，对各类专业知识、技术的要求十分严格，因此医药用精细化学品研制、生产必然会用到多种先进的合成催化技术。目前该产业的发展形势看好，在引入生物催化技术后，一系列研发成果应运而生，为市场注入了新血液。许多药品的生理活性分子中含有对映异构体，大量数据表明，在现阶段的临床医学领域中，手性物质应用率相当高。且随着医药技术的发展，这一数据越发升高，为生物合成催化技术在医药领域中的深化应用打下了扎实的基础，为精细化药品研发与生产提供了源源不断的技术支持[4]。

3.2 食品与饲料添加剂

食品与饲料添加剂也是典型的精细化工品。添加剂的生产过程常离不开各种精细化工品的参与，现阶段看来，食品添加剂的种类多种多样，在生产过程中用到生物催化技术的典型的食品添加剂有色素、防腐剂、甜味剂、功能性寡糖等，这表明生物催化技术在这一领域中有着较高的应用率与较好的应用态势。此外生物催化剂在饲料生产领域中的应用也十分可观，有抗生素、酶、营养补给剂等几类，且应用规模越发增大，相信随着科学技术的发展，生物催化剂在这一行业中的应用会变得更加广泛。

3.3 日用精细化学品

现代人的日常生活离不开对各种日用精细化学品的使用。如在生活用品、家居用品中，就有很多精细化工产品，如：化妆品、胶水、墨水等。此外，很多香料、油脂、香精也属于精细化工品。现阶段看来，生物催化技术在这类化工品的生产中，扮演了重要的角色。如芳香醛、芳香醇在生产过程中，就用到了此类技术，此外，牙膏、饮料生产中运用的很多赋香剂，如薄荷醇香料，在生产中也会用到生物催化技术。值得说明的是，这一化学品在医药领域中的应用率也是较高的，主要功效为清凉止痒，多被用于治疗各种皮肤、黏膜疾病，甚至可被内服，可治疗很多炎症，这是因为薄荷醇多来源于薄荷这一草本植物，是从植物中提取，再经合成方法生产而成。

3.4 助剂

助剂又称工业味精，在工业生产领域中的应用率很高。目前，助剂生产已成为社会中重要的新型产业，在材料、食品药品、农药、汽车、建筑等制造加工领域中都有着较好的应用态势。如在生产塑料的过程中，就会用到多种不同的工业助剂，如无毒增塑剂。此外，这一物质在食品包装方面的应用率也极高，医药行业内，这一物质在器械与药物包装中的应用也较多，如对各种注射器及胶囊的生产就需用到此种物质。在玩具生产领域中，对无毒增塑剂的应用，甚至已经超过了对石化邻苯类增塑剂的应用，可见该种精细化工品有着极为可观的市场发展前景。

棕榈酸异辛酯有着较强的热稳定性，在精细化工生产中也属于应用率较高的一类助剂，具有耐寒耐碱以及润滑的功能。将其作为离子表面活性剂使用，还可应用到化妆品、纺织用品的生产中。目前人们已针对这一化工品，开发了以固定化假丝酵母脂肪酶催化合成棕榈酸异辛酯的一种生产技术，这有利于降低化工品生产能耗，帮助化工厂控制对污染物的排放，达到绿色发展目标。

4 精细化学品合成的催化技术实践应用

4.1 酶催化技术在化学制药中的应用

4.1.1 裂解酶在化学制药中的应用

酶催化技术在医药领域中有着极高的应用率、良好的应用态势与广阔的应用前景，如裂解酶的应用。技术人员可应用C-C 或C-O 等不饱和键，借助此类物质的作用，进行加成或消除操作，形成精细化工产品。值得肯定的是，在上述技术流程中，裂解酶催化小分子有着一定的可选择性，可发生醛缩反应，延长醛缩的碳单元[5]。研究表明，此种化学反应与化学醛缩反应有着较强的相似性，即都是在醛中加入带有负电子的碳，典型的如多巴胺。具体而言，多巴胺是来源于哺乳动物中枢神经系统的一类物质，在低血压治疗中有着较高的应用率。实际生产过程中，可将二羟基苯丙氨酸作为底物，采用脱羟酶作为催化剂，合成多巴胺，达到化学制药目的。

4.1.2 转移酶在化学制药中的应用

实际生产过程中，甲基、糖基、氨基等特定基团具有特殊的功能，可借助转移酶，对其他底物分子实施转移处理，形成辅助因子，达到精细化工产品生产目的。通常情况下，在使用转移酶完成如上操作的过程中，工厂还需应用到辅酶这一物质，转氨酶是现阶段化学制药中应用较多的转移酶，辅酶方面可使用磷酸吡哆醛，是维生素B6 的合成物质。采用如上物质进行化学反应，会生成西夫碱，可进一步结合酶的催化反应特性，完成完整的化学反应流程。但实际操作中，转氨酶底物的特异性通常较低，完成化学反应的速率很快，在氨基酸合成中尤其具有较高的应用率，可帮助工厂加快对手性药物的生产。如生产L-丝氨酸物质就可用到此类物质，这是典型的药物氨基酸，在市场中销售态势看好。可利用丝氨酸羟甲基转移酶，对甘氨酸与甲醛实施催化反应，完成精细化工合成流程。

4.1.3 氧化酶在化学制药中的应用

化学制药过程也常会借助氧化还原反应，对氧化酶的应用至关重要。如在生产丙肝病毒蛋白抑制剂时，就需用到氧化酶，在生产植物激素松脂醇时，更是会用到这一物质。后者现阶段被应用于对多种疾病的治疗中，具有良好的疗效，有着较为稳定的机体保护作用。可借助青霉菌中的香草醇氧化酶，采用丁子香，合成如上物质，整个合成过程无需耗费较多成本即可完成，生产规模可观，且生产效率也很高，化学反应过程较为稳定，有利于帮助化工厂实现高效生产，取得更为理想的经济效益。

4.2 新催化剂与催化新技术研制工程

为进一步强化合成催化剂在精细化工品生产中的应用，相关工作者有必要面向催化技术做好顶层设计，结合政策、行业形势，不断加大项目研发力度、提升项目研发质量，从资金、技术、人才等角度出发，为研发者给予充足的支持，力求研发出一批又一批符合行业发展需要、先进且安全的精细化工催化剂。在“十四五”发展期间，相关工作者可结合市场需求，进一步优化精细化工科技生产模式，加大科研生产力度。如可强化与市场中各类企业的合作，提升科研项目与企业新产品、新技术的契合性，促进新催化剂的生成[6]。此外还应调整好精细化工技术研究方向，目前看来，氧化、酯化、不对称合成化学反应技术有着较为理想的研发前景，因此相关工作者可以聚焦于此，进行有针对性的研究，积极吸纳高素质人才，组建起优质的科研团队，不断结合实际需求，优化对催化剂的研发及制作。如可利用当下炙手可热的基因编辑技术，改造生物酶，使反应条件变得更为温和，反应过程变得更为稳定，促进精细化工生产的绿色化发展。

5 促进精细化学品合成催化技术发展的建议

5.1 提升战略意识，促进资源要素集成

现阶段看来，有关单位对精细化学品合成催化技术研发给予了充足的资金支持，但技术、产品研发依然较为分散，缺乏较为明确的研发战略，阻碍了研发工作的顺利进行。对此，相关单位及企业有必要积极结合市场形势及技术资源情况，加大技术及优势产品研发力度，杜绝同质化竞争。相关工作者在研发新技术、新产品的过程中，应坚持从全局出发，进行科学合理的设计及选择。如对于复杂分子，由于合成步骤较长，且适用催化剂的成本也较为高昂，灵活性较低，在技术、产品研发中应慎重考虑，对于路线简单的大规模合成，催化剂的成本权重又较大，应用及研究的积极性有限，这就需要相关工作者理性地进行定夺，提升产品及技术的适配性。

5.2 注重产研结合，提升产业化能力

目前催化技术产业化程度还有较大的提升空间，相关机构对催化技术的研究，往往过于重视增强技术的创新性，忽视针对技术研发，设定合理的时间节点与目标导向，难以发掘催化技术在精细化工产品生产中的更为广阔的应用机会，阻碍了技术研发进程。对于此，建议有机合成、药物合成、精细有机合成等学科领域的专家聚集到一起，组建科研团队，与市场占有率较高且具有一定影响力的企业展开倾力合作，在行业中形成更为完善的产学研合作模式，促进科研与产业的紧密结合，提升技术产业化程度。

5.3 强化有机合成技术与生物技术交叉集成

以医药、农药或其他功能性化工品为基础的精细化学品，及结构明确的高效工业产品，代表了现代工业有机化学的发展方向，代表了行业的进步方向。而对此类产品的生产，离不开对有机合成技术的应用，但这类技术在生产过程中，为生态环境带来的污染较为严重，不符合生态文明建设理念。因此建议相关工作者大力推进有机合成技术与生物技术的交叉集成，借助后者的绿色、安全特点，提升精细化工产品集成的环境友好性，创造良好的生态效益，解决精细化工生产现存问题，为市场提供更多的技术、产品及产业机会，促进行业的进步发展。

6 结语

综上所述，催化技术在精细化学品生产中有着极高的应用率，为提升生产效率及生产质量提供了重要的技术手段，相关工作者应当加强对此类技术的研究，帮助企业结合技术、市场实际情况，生产多元化的具有市场优势的精细化工产品，综合利用多种不同的催化技术，实现化学催化技术与生物催化技术的优势互补，优化技术工艺，为企业的进步发展提供源源不断的技术支持。同时化工生产企业也应不断完善对各种先进技术的引入及应用，提升产品研发的战略性，促进化工行业向高端化、精细化、绿色化发展。