精细化学品合成技术

1、&参考书籍参考书籍1. 唐培堃主编唐培堃主编. 精细有机合成化学及工艺学精细有机合成化学及工艺学(第二版）第二版）.天天津大学出版社，津大学出版社，20052.唐培堃编唐培堃编. 精细有机合成化学与工艺学学习指导精细有机合成化学与工艺学学习指导.化学工化学工业出版社，业出版社，20043. 张友兰主编张友兰主编. 有机精细化学品合成及应用实验有机精细化学品合成及应用实验.化学工化学工业出版社，业出版社，20054.姚蒙正主编姚蒙正主编. 精细化工产品合成原理精细化工产品合成原理，中国石化出版社，中国石化出版社，20005.钱旭红主编钱旭红主编. 工业精细有机合成原理工业精细有机合成原理.化学工

2、业出版社，化学工业出版社，2001精细化学品的定义、分类与特点精细化学品的定义凡能增进或赋予一种（类）产品以特定的功能或本凡能增进或赋予一种（类）产品以特定的功能或本身拥有身拥有特定的功能特定的功能的的小批量小批量制造和应用的、制造和应用的、技术密技术密集度高集度高、附加值高附加值高、纯度高纯度高的化学品。的化学品。精细化学品的分类 农药、染料、涂料（含油漆、油墨）、颜料、试剂和农药、染料、涂料（含油漆、油墨）、颜料、试剂和高纯物、信息用化学品、食品和饲料添加剂、胶粘剂、高纯物、信息用化学品、食品和饲料添加剂、胶粘剂、催化剂和各种助剂、化工系统生产的化学药品（原料催化剂和各种助剂、化工系统生产

3、的化学药品（原料药）和日用化学品、功能高分子材料。（药）和日用化学品、功能高分子材料。（11类）类） 精细化工产品分类暂行规定精细化工产品分类暂行规定，1986年年3月月6日日 56 78精细化工的特点 精细化工精细化工即精细化学工业，是生产即精细化学工业，是生产精细化学品精细化学品的工业。的工业。l涉及到剂型制备和商品化技术密集度高涉及到剂型制备和商品化技术密集度高l品种多，生产规模小，多为间歇操作的液相反应，常品种多，生产规模小，多为间歇操作的液相反应，常采用多品种的综合生产流程或单元反应流程采用多品种的综合生产流程或单元反应流程l附加价值和经济效益高附加价值和经济效益高l产品质量要求高，

4、知识密集度高；产品更新换代快、产品质量要求高，知识密集度高；产品更新换代快、寿命短；研究开发难度大、费用高寿命短；研究开发难度大、费用高l技术密集度高技术密集度高l商品性强，市场竞争激烈，应用技术和技术服务重要商品性强，市场竞争激烈，应用技术和技术服务重要101112精细化工在国民经济中的重要作用精细化工在国民经济中的重要作用l直接用作最终产品或其主要成分直接用作最终产品或其主要成分l增加或赋予各种材料以特性增加或赋予各种材料以特性l增加和保障农、林、牧、渔业的丰产丰收增加和保障农、林、牧、渔业的丰产丰收l丰富人民生活丰富人民生活l促进其他行业技术进步促进其他行业技术进步l高经济效益高经济效益

5、精细化率精细化率精细化工产品的总值精细化工产品的总值全部化工产品的总值全部化工产品的总值投资效率、附加值、成本、利润 投资效率（）（附加价值固定资产）投资效率（）（附加价值固定资产） 100% 附加值附加值：是指在产值中扣除原辅料、税金、设备和厂房是指在产值中扣除原辅料、税金、设备和厂房的折旧费后剩余的价值。它包括利润、工人劳动、动力的折旧费后剩余的价值。它包括利润、工人劳动、动力消耗以及技术开发等费用。消耗以及技术开发等费用。 成本：成本：原料成本、设备折旧费、工人劳动、动力消耗以原料成本、设备折旧费、工人劳动、动力消耗以及技术开发费等。及技术开发费等。 利润利润（20%以上为高利润）以上为

6、高利润）paul ashall, 2008characteristics of fine versus bulk chemicalscharacteristicfine chemicale.g. ibuprofenbulk chemicale.g sulphuric acidscalesmalllargeprice22 $/kg0.08 $/kgprocess typebatchcontinuoussynthesismulti-stepfew stepspaul ashall, 2008raw material consumption (kg/kg)highlowenergy consumpt

7、ion (kj/kg)highlowusesspecificdiversevalue addedhighlowmolecular complexityhighlowcharacteristics of fine versus bulk chemicals (cont)17l发展原料工业发展原料工业l重视基础产品重视基础产品l加强应用研究加强应用研究l优化复配技术优化复配技术l重视剂型改造重视剂型改造l开拓新兴领域开拓新兴领域精细化工的发展趋势精细化工的发展趋势精细化工的发展重点及动向精细化工的发展重点及动向 n 精细化工发展的战略目标是高科技领域的开发研究精细化工发展的战略目标是高科技领域的开

8、发研究 世界各国现在都在大力发展精细化工，已使整个化学工业世界各国现在都在大力发展精细化工，已使整个化学工业向高精尖方向取得了长足的进步。向高精尖方向取得了长足的进步。 有关的新科技领域包括：各类新型化工材料（功能高分子有关的新科技领域包括：各类新型化工材料（功能高分子材料、复合材料）、新能源、电子信息技术、生物技术（材料、复合材料）、新能源、电子信息技术、生物技术（包括发酵技术、生物酶技术、细胞融合技术、基因重组技包括发酵技术、生物酶技术、细胞融合技术、基因重组技术等）、航空航天技术和海洋开发技术等。术等）、航空航天技术和海洋开发技术等。 20n 优先发展的关键技术（优先发展的关键技术（1）

9、 p 精细有机合成的关键技术精细有机合成的关键技术 设计和开发出若干具有高活性、高选择性、立体定向、稳设计和开发出若干具有高活性、高选择性、立体定向、稳定性好、寿命长的高效催化剂和相应的催化技术，以满足定性好、寿命长的高效催化剂和相应的催化技术，以满足精细化工发展的国内外市场的需要。精细化工发展的国内外市场的需要。 重点是开发膜催化剂、稀土络合催化剂、沸石择型催化剂重点是开发膜催化剂、稀土络合催化剂、沸石择型催化剂、固体超强酸催化剂等，以及相转移催化技术、立体定向、固体超强酸催化剂等，以及相转移催化技术、立体定向合成技术、固定化酶发酵技术等特种技术。合成技术、固定化酶发酵技术等特种技术。 精细

10、化工的发展重点及动向精细化工的发展重点及动向 n 优先发展的关键技术（优先发展的关键技术（1） p 新催化技术（精细有机合成）新催化技术（精细有机合成） 设计和开发出若干具有高活性、高选择性、立体定向、稳设计和开发出若干具有高活性、高选择性、立体定向、稳定性好、寿命长的高效催化剂和相应的催化技术，以满足定性好、寿命长的高效催化剂和相应的催化技术，以满足精细化工发展的国内外市场的需要。精细化工发展的国内外市场的需要。 重点是开发膜催化剂、稀土络合催化剂、沸石择型催化剂重点是开发膜催化剂、稀土络合催化剂、沸石择型催化剂、固体超强酸催化剂等，以及相转移催化技术、立体定向、固体超强酸催化剂等，以及相转

11、移催化技术、立体定向合成技术、固定化酶发酵技术等特种技术。合成技术、固定化酶发酵技术等特种技术。 精细化工的发展重点及动向精细化工的发展重点及动向 n 优先发展的关键技术（优先发展的关键技术（2） p 新分离技术新分离技术 开发工业规模的多组分分离，特别是不稳定化合物及功能性物开发工业规模的多组分分离，特别是不稳定化合物及功能性物质的高效精密分离技术的研究，对精细化工产品的开发与生产质的高效精密分离技术的研究，对精细化工产品的开发与生产至关重要。至关重要。 重点开发超临界萃取分离技术，研究用超临界萃取分离技术制重点开发超临界萃取分离技术，研究用超临界萃取分离技术制取出口创汇率极高的天然植物提取

12、物（如天然色素、天然香油取出口创汇率极高的天然植物提取物（如天然色素、天然香油、中草药有效成分等），并且进一步应用于精细化工、食品、中草药有效成分等），并且进一步应用于精细化工、食品、香料、医药以及石油的深度加工等领域。香料、医药以及石油的深度加工等领域。 精细化工的发展重点及动向精细化工的发展重点及动向 n 优先发展的关键技术（优先发展的关键技术（3） p 增效复配技术增效复配技术 发达国家化工产品数量与商品数量之比为发达国家化工产品数量与商品数量之比为 1:20 ，我国目前仅，我国目前仅为为 1:1.5 ，不仅品种数量少，而且质量差。关键的原因之一，不仅品种数量少，而且质量差。关键的原因之

13、一是增效复配技术落后。是增效复配技术落后。 需要加强这方面的应用基础研究及应用技术研究，如专门研需要加强这方面的应用基础研究及应用技术研究，如专门研究表面活性剂的分离方法、洗涤作用、表面改性、微胶囊化究表面活性剂的分离方法、洗涤作用、表面改性、微胶囊化、薄膜化及超微粒化技术等。由于应用对象的特殊性，很难、薄膜化及超微粒化技术等。由于应用对象的特殊性，很难采用单一的化合物来满足用户的要求，配方以及复配技术的采用单一的化合物来满足用户的要求，配方以及复配技术的研究就成为产品好坏的决定性因素。研究就成为产品好坏的决定性因素。 精细化工的发展重点及动向精细化工的发展重点及动向 26272829生命科学

14、研究生命科学研究 医学诊断医学诊断30 31精细化工的生态经济性问题精细化工的生态经济性问题323334精细化学品开发步骤图示精细化学品开发步骤图示n精细有机合成是制备精细化学品（复配产品的主要原料）的主要途径n精细有机合成（工业）有机合成（工业）：就是利用上述基本有机合成工业所得到的有机原料，通过各种有机中间体的制备，最后合成出具有特定用途的小批量、高纯度化学品的工业。如医药、香料、染料和农药等等。n许多精细化学品的结构相当复杂，绝不能由有机原料通过一步反应而生成，通常需经过一系列的单元反应比如卤化、缩合、氧化、磺化、硝化、还原等。 有机合成是化学中最具有创造性、又最具实用性的一门学科。有机

15、合成是化学中最具有创造性、又最具实用性的一门学科。 有机合成是有机化学的中心，也是有机化学中最富有活力的分支学科。有机合成是有机化学的中心，也是有机化学中最富有活力的分支学科。 1828年，德国化学家年，德国化学家维勒维勒(wohler)人工合成人工合成尿素尿素，揭开了揭开了有机合成有机合成的序幕。的序幕。有机合成不但能够合成自然界中已有的任何分子，而且还可以有机合成不但能够合成自然界中已有的任何分子，而且还可以有意识地、有目标地制备人们所期望的，具有各种特定功能的有意识地、有目标地制备人们所期望的，具有各种特定功能的新型化合物分子。新型化合物分子。有机合成有机合成精细化工工艺学精细化工工艺学

16、u 相关课程之间的联系相关课程之间的联系化工原理化工原理基础课基础课专业基础课专业基础课专业课专业课有机化学有机化学有机合成化学家的目的：有机合成化学家的目的：（ 1）在实验室内用人工的方法来复制自然界）在实验室内用人工的方法来复制自然界的产物，用以证明它的结构。的产物，用以证明它的结构。（2）根据人们的需要来改造有机分子结构或）根据人们的需要来改造有机分子结构或创造出全新的结构。创造出全新的结构。有机合成化学有机合成化学是有机化学中最富有活力的分支学科是有机化学中最富有活力的分支学科近代有机合成的功绩首推近代有机合成的功绩首推robert robinson:（1）化学结构和反应性及反应过程之

17、间的关系）化学结构和反应性及反应过程之间的关系（2）将机理分析应用于有机合成。）将机理分析应用于有机合成。（3）使有机合成第一次成为一门课程。）使有机合成第一次成为一门课程。基本有机合成和精细有机合成工业n 基本有机合成（工业）基本有机合成（工业）：又称重有机合成（工业）利用化学合成的方法将廉价易得的天然资源（如煤、石油、天然气等）及其初步加工品和副产品（如电石、煤焦油、渣油等）加工成最基本的有机原料八大基本化工原料（如乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯、乙炔、萘等）以及由上述原料再加工成化学工业各部门和其他有关工业所大量需用的重要有机原料（如乙醇、甲醛、乙酸、丙酮、苯酚、苯酐等）的工业。乙

18、烯环氧化管式反应器催化剂：ag颗粒属于气固相催化h2c+ o2ch22h2cch2o2特点：生产规模大，产品结构相对稳特点：生产规模大，产品结构相对稳定，技术比较成熟、产品附加价值相定，技术比较成熟、产品附加价值相对较小。对较小。n精细有机合成（工业）：利用上述基本有机合成工业所得到的有机原料，通过各种有机中间体的制备，最后合成出具有特定用途的小批量、高纯度化学品的工业。如医药、香料、染料和农药等等。特点：产品品种多、产量较小、专用性强、特点：产品品种多、产量较小、专用性强、技术比较复杂多变、更新换代快、产品附加技术比较复杂多变、更新换代快、产品附加价值高！价值高！有机合成路线设计有机合成路线

19、设计好的合成反应的评价标准：最大的成功机率最大的成功机率+最经济的路线最经济的路线（1）高的反应产率（收率高）：反应产物单一，副产物易分离）高的反应产率（收率高）：反应产物单一，副产物易分离（2）合成路线短：）合成路线短：1896年颠茄酮合成路线多达年颠茄酮合成路线多达21步，总收率只有步，总收率只有0.5%（3）温和的反应条件：操作简便）温和的反应条件：操作简便（4）优异的反应选择性，）优异的反应选择性，包括化学选择性、区域选择性和立体选择性等包括化学选择性、区域选择性和立体选择性等（5）能源消耗低）能源消耗低:节能经济节能经济（6）易于获得的反应起始原料：来源丰富、价廉易得）易于获得的反应

20、起始原料：来源丰富、价廉易得（7）尽可能是化学计量反应向催化循环反应发展：原子经济学说（反应物）尽可能是化学计量反应向催化循环反应发展：原子经济学说（反应物的原子数目最大地进入产物）的原子数目最大地进入产物）（8）对环境污染尽量少：绿色合成化学，）对环境污染尽量少：绿色合成化学，iso14000认证认证合理的反应设计、高效率高选择性的反应和零废物排放合理的反应设计、高效率高选择性的反应和零废物排放原子经济性原子经济性原子经济性原子经济性原子经济性原子经济性1）原子经济性的概念 1991年斯坦福大学教授 bm trost提出：化学合成应考虑原料分子中的原子最终进入目的产品中的数量，高效的合成反应

21、应最大限度地利用原料分子的每一个原子，使之更多或全部转变成目标分子中的原子，以实现最低排放甚至是零排放。bm trost 获得1998年美国“总统绿色化学挑战奖”的学术奖 a b c d a b c 产物废物或副产物废物为零废物为零原子经济性的特点是最大限度地利用原料和最大限度地减少废物的排放。第一步第二步第三步第四步第五步第六步布洛芬boots公司的公司的brown方法方法原子经济性原子经济性 40%布洛芬布洛芬镇静、镇静、止痛药的生产止痛药的生产应用示例第一步第一步第二步第二步第三步第三步bhc公司新公司新发明的绿色发明的绿色方法方法简单简单多了！多了！原子经济性原子经济性99%获获199

22、7年美国总统年美国总统“绿色化学挑战奖绿色化学挑战奖”合成路线的选择原则：合成路线的选择原则： 1、原料是否易得、原料是否易得 2、操作是否易行、操作是否易行 3、总收率是否最高、总收率是否最高 4、环境是否友好、环境是否友好 5、经济是否合理、经济是否合理1996年，美国斯坦福大学wender教授对理想的有机合成提出了完整的定义：一种理想的（最终是实效的）合成是指用简单的、安全的、环境友好的、资源有效的操作，快速定量地把价廉、易得的起始原料转化为天然或设计的目标分子。精细有机合成路线的综合评价精细有机合成路线的综合评价硝 化氨 解clclno2nh2no2nh2no2cl氯 化no2还 原酰

23、 化水 解nh2nhcoch3硝 化nhcoch3no2nhcoch3clno2硝 化易于工业化生产易于工业化生产clc-烷化氧化酸解ch(ch3)2c och3h3cohoh磺化水解（碱熔）氯化气固相接触催化水解高压液相碱性水解氧化脱羧硝化还原重氮化水解ch3so3hcoohno2nh2n2+cl- 尿素的合成，否定了原生命力学说，肯定了有机物可以人工合成； 有机结构理论的建立，三个中心内容：碳的四价和成键、苯的结构、碳价键的正四面体构型。v 该时期的有机合成主要以无机反应为模板，把无机反应的模式在有机合成中套用。 英国18岁的perkin第一个人工合成苯胺紫染料； 德国willstatte

24、r第一个合成颠茄酮，并获诺贝尔化学奖。初创期（初创期（19世纪世纪20世纪前半叶）世纪前半叶）nnh3cphhnnh2ch3ch3clooooohohcoohohhohnnhoo血红素血红素吡哆醇吡哆醇 vb6奎宁奎宁叶绿素叶绿素秋水仙素秋水仙素青霉素青霉素马萘雌酮马萘雌酮雪松醇雪松醇吗啡吗啡利血平利血平马钱子碱马钱子碱可的松可的松托品酮托品酮樟脑樟脑萜品醇萜品醇艺术期（20世纪4060年代）出现了许多复杂分子的高度精巧的合成方法。有机合成没有一个严格的公式可以遵循，它和个人的技巧、经验和熟练程度很有关系。印度化学家nitya anand说：把有机合成和绘画雕刻、音乐相比拟，应当作为一种艺术看

25、待；美国化学家woodward说：有机合成中有激动、有探险、也有挑战，也可包含着伟大的艺术，仅这些也足以令人赞叹。v 我国的黄鸣龙反应、结晶牛胰岛素的全合成、我国的黄鸣龙反应、结晶牛胰岛素的全合成、砷叶立德试剂的研究和应用砷叶立德试剂的研究和应用elias james corey 科学与艺术融合期（20世纪6090年代）提出了有机合成设计和有机合成策略：美国哈佛大学j.corey提出了反合成分析概念（从合成的目标分子出发，根据其结构特征和对合成反应的知识进行逻辑分析，并利用其经验和推理艺术，最后设计出巧妙的合成路线）。kishi小组合成了剧毒的海葵毒素被称为有机合成中的珠穆朗玛峰；我国中科院上

26、海有机化学研究所所全合成了青蒿素中国天然产物全合成的代表作（抗疟疾药物） 海葵毒素是一个结构复杂的天然产物，分子式是c129h223n3o54,有64个手性中心和7个骨架内双键，可能的异构体是271。是迄今已知的最毒物质之一。 它的合成被誉为有机合成的珠穆朗玛峰。c129h223n3o54,分子量分子量2680，64个手性中心个手性中心oooh2nohohohoohohmehoohohohohohhooohohhoohoohohohoohohmeohohhoohohohoomememeohohohohhoonhohhoohohohmeohoohnhhoooh海葵毒素创造新功能分子期（创造新功能

27、分子期（20世纪世纪90年代后）年代后）有机合成的研究目标从天然产物向类天然产物的有机合成的研究目标从天然产物向类天然产物的“非天非天然产物然产物”及类似物方向发展。及类似物方向发展。有机合成选择生命科学中的重要物质作为合成对象；有机合成选择生命科学中的重要物质作为合成对象；仿生合成仿生合成以生物方法用于有机合成；以生物方法用于有机合成；有机合成与生物方法巧妙结合产生一些全新的分支领域。有机合成与生物方法巧妙结合产生一些全新的分支领域。如生物芯片、有机功能材料等如生物芯片、有机功能材料等葛君, 图书馆理论与实践, 2004, (2), 55.王智民,化学通报 , 2004, 67,w008.参

28、考：参考：1901-2001年诺贝尔化学奖获奖者回顾年诺贝尔化学奖获奖者回顾1901年j. h. 范特霍夫（荷兰人）发现溶液中化学动力学法则和渗透压规律 the remarkable synthesis of vitamin b12 by eschenmoser and woodward marks the start of the modern natural product synthesis. before this work, organic synthesis was performed primarily to nail down the structure of particul

29、ar molecules. the synthesis took 11 years and involved more than 90 separate reactions performed by over 100 co-workers. the stereochemical puzzles involved in the synthesis led to the woodward-hoffman rules, which spell out how the electronic structures of molecules reorganize during reactions. the

30、 vitamin b12 synthesis revolutionized theoretical chemistry, and the woodward-hoffman rules paved the way to the use of orbital theory by the chemical community. i. e. mark,the art of total synthesis. science, 2001, 294(30), 1842-1843.复杂天然分子的全合成复杂天然分子的全合成是有机合是有机合成化学中最传统也是最具挑战性成化学中最传统也是最具挑战性的分支之一。这化学

31、工作者们提的分支之一。这化学工作者们提供了一个展示聪明才智、胆略魄供了一个展示聪明才智、胆略魄力和合成技巧的理想舞台。力和合成技巧的理想舞台。伍贻康伍贻康 吴毓林吴毓林, 有机合成新世纪有机合成新世纪-有机合成近年进展鉴赏有机合成近年进展鉴赏, 化学进化学进展展, 2007,19(1),6-34 纤维素模拟物中间体的合成纤维素模拟物中间体的合成fuyi zhang, andrea vasella, carbohydrate res., 2007, 342, 2546-2556纤维素模拟物中间体的合成纤维素模拟物中间体的合成fuyi zhang, andrea vasella, carbohyd

32、rate res., 2007, 342, 2546-2556ernst otto fischer （德）geoffrey wilkinson （英）donald j. cram （美）jean-marie lehn （法）charles j. pedersen （美）robert f. curl（美）（美）hideki shirakawa （日）（日） richard e. smalley （美）jr. sir harold w. kroto（英）（英）alan j. heeger（美）（美）alan g. macdiarmid（美）（美） a wide variety of chemica

33、lly modified fullerenes have been synthesized and outstanding structural, magnetic, superconducting, electrochemical, and photophysical properties reported. a new interdisciplinary field in which c60-based polymers should furnish unprecedented materials in which the integration of fullerenes as a ph

34、oto- and electroactive building blocks into the polymer structure should result in new properties for development of realistic applications. in this regard, 20 years after the discovery of fullerenes, the scientific community is looking for real applications of the new carbon allotropes. - f. giacal

35、one, n.martn, fullerene polymers: synthesis and properties. chem. rev. 2006, 106, 5136-5190.paul sabatier （法）（法）1912年，在金属催化剂年，在金属催化剂存在下使有机化合物氢存在下使有机化合物氢化的方法。化的方法。德）giulio natta （意） （瑞士） phoroophorooh*al-hgwilliam s. knowles（美）（美）ryoji noyori（日）（日）k. barry sharpless（美）（美）yves chauvin（法）（法）robert h. g

36、rubbs（美）（美）richard r. schrock（美）（美） 左：左：herbert c. brown（美）（美）右：右：georg wittig（德）（德） 左：左：otto paul hermann diels（德）（德）右：右：kurt alder（德）（德） robert bruce merrifield （美）（美） 有机合成的现代成就有机合成的现代成就 具有产率高，反应条件温和，选择性和立体定向性好具有产率高，反应条件温和，选择性和立体定向性好的新反应大量出现的新反应大量出现。 元素有机化学的发展使有机合成大放光彩元素有机化学的发展使有机合成大放光彩； 新试剂，新型催化剂，能长期使用并能使生产连续化。新试剂，新型催化剂，能长期使用并能使生产连续化。通常都有反应速度快，条件温和，选择性强，合成工通常都有反应速度快，条件温和，选择性强，合成工艺简化等优点。艺简化等优点。 精细有机合成的原料资源精细有机合成的原料资源 煤煤 石油石油 天然气天然气 动植物原料动植物原料煤煤 煤的高温干馏：煤的高温干馏：萘、甲基萘、蒽、菲、芴、苊、芘、萘、甲基萘、蒽、菲、芴、苊、芘、苯酚、甲酚、二甲酚、氧芴、硫芴、苯酚、甲酚、二甲酚、氧芴、硫芴、吡啶、甲基吡啶、咔唑