精细有机合成化学与工艺学

后勤部长

第1章           绪论
1.1               精细化学品的释义

一般化工产品可分为通用化工产品和精细化工产品两类。通用化工产品又分为无差别产品(如硫酸、烧碱、乙烯、苯等)和有差别产品(如合成树脂、合成橡胶.合成纤维等)。这些通用化工产品用途广泛，生产批量大，产品常以化学名称及分子式表示，且规格是以其中主要物质的含量为基础。精细化工产品则分为精细化学品(如中间体、医药和农药的原料等)和专用化学品(如医药成药、农药配剂、各种助剂、水处理剂等)，具有生产批量小、附加值高等待点，产品常以商品名称或牌号表示，规格以其功能为基础。
关于精细化学品的释义，国际上有三种说法。
传统的释义指的是产量小、纯度高的化工产品。美国克林教授提出的释义是先将化学品分为两大类:具有固定熔点或沸点，能以分子式或结构式表示其结构的称为无差别化学品；不具备上述条件的称为差别化学名。然后再进一步分类和释义如下。
(1)通用化学品  指大量生产的无差别化学品，例如无机的酸、碱、盐，以及有机的甲醇、乙醇、乙醛、丙酮、乙酸、氯苯、硝基苯、苯胺和苯酚等。
(2)准通用化学品  指较大量生产的差别化学品，例如塑料、合成纤维、合成橡胶等。
(3)精细化学品  指小量生产的无差别化学品，例如原料医药、原料农药、原料染料等。
(4)专用化学品  指小量生产的差别化学品，例如医药制剂、农药制剂、商品染料等。
上述分类命名法，原则上为欧美各国所接受。
日本的释义指的是具有高附加价值、技术密集型、设备投资少、多品种、小批量生产的化学品。即把克林教授释义的精细化学品和专用化学品统称为精细化学品。
中国原则上采用日本对精细化学品的释义。按照中国国家自然科学技术学科分类标准，精细化工的全称是“精细化学工程”，属化学工程学范畴。
1.2               精细化学品的分类
关于精细化学品的分类，每个国家根据自身的生产体制而略有不同。欧美将专用化学品按其使用性能分为三大类:即(1)准商用(通用)化学品；(2)多功能、多用途化学品；(3)最终用途化学品或直接上市化学品。每一大类又分为许多小类。“联合国经济合作及发展组织”将专用化学品细分为47类。
在1981年日本《精细化工年鉴》中将精细化工行业分为34个，即医药、兽药、农药、染料、涂料、有机颜料、油墨、催化剂、试剂、香料、粘合剂、表面活性剂、合成洗涤刑和肥皂、化妆品、感光材料、橡胶助剂、增翅剂、稳定剂、塑料添加剂、石油添加剂、饲料添加剂、食品添加刑、高分子凝聚别、工业杀菌防霉剂、芳香防臭剂、纸浆及纸化学品、金属表面处理剂、汽车化学品、脂肪酸及其衍生物、稀土金属化合物、电子材料、精密陶瓷、功能树脂、生命体化学品和化学促进生命物质等。日本“化学工业统计月报”和“工业统计表”，1993年将精细化学品分为32个门类。
中国原化学工业部1986年3月6日颁布了《关于精细化工产品的分类的暂行规定和有关事项的通知》规定，中国精细化工产品包括11个产品类别:它们是(1)农药，(2)染料，(3)涂料(包括油漆和油墨)，(4)颜料，(5)试剂和高纯物，(6)信息用化学品(包括感光材料、磁性材料等能接受电磁波的化学品)，(7)食品和饲料添加剂，(8)粘合剂，(9)催化剂和各种助剂，(10)(化工系统生产的)化学药品(原料药)和日用化学品，(11)(高分子聚合物中的)功能高分子材料(包括功能膜、偏光材料等)。每一门类又可以分为许多小类，例如在催化剂和各种助剂门类中又分为催化剂、印染助剂、塑料助剂、橡胶助剂、水处理剂、纤维抽丝用油剂、有机提取剂、高分子聚合物添加剂、机械和冶金用助剂、油品添加剂、炭黑(橡胶制品补强剂、吸附剂)、电子工业专用化学品、纸张用添加剂、其他助剂等20个小类。再如印染助剂又可细分为扩散剂、固色剂、匀染剂、涂料印花助剂、树脂整理剂、柔软剂、抗静电剂、防水剂、防火阻燃剂等。
需要注意的是，上述分类主要是从原化学工业部的范围所作之规定，并未包含精细化工的全部内容，例如不包括国家医药管理局管理的医药制剂、酶；不包括中国轻工业总会所属的日用化学品化妆品；精细陶瓷等。由于我国精细化工起步较晚，目前精细化工产品所包括的项目比国外还少很多，但这种差距正在逐步缩小。
1.3               精细化工的特点
精细化工的主要特点有如下几点。
(1)除了化学合成反应、前处理和后处理以外，还常常涉及到剂型制备和商品化(标准化)才得到最终商品。
(2)生产规模小，生产流程大多为间歇操作的液相反应，常采用多品种综合生产流程或单元反应流程。
精细化工产品的用量不是很大，如药物制成片、粉、丸、溶液或针剂等，每个人的服用量都以毫克计；食品添加剂中的香精香料用量约为1mg/kg。对各种精细化工产品来说，贵在质量；价格因素尚在其次。
从精细化工的范畴和分类可以看到，精细化学品必然具有多品种的特点。由于产品应用面窄，针对性强，特别是专用品和特制配方的产品，往往是一种类型的产品可以有多种牌号，因而使新品种和新剂型不断出现，日新月异，所以，多品种这一点实际上是精细化工的一个重要特征。可以举表面活性剂为例，表面活性剂的基本作用是改变不同两相间的界面张力。根据这一点，就可以利用其所具有的润湿、洗净、浸渗、乳化、分散、增溶、起泡、消泡、凝聚、平滑、柔软、减摩、杀菌、抗静电、防锈和匀染等表面性能，做成多种多样的洗净剂、渗透剂、扩散剂、起泡剂、消泡剂、乳化剂、破乳剂、分散剂、杀菌剂、湿润剂、柔软剂、抗静电剂、抑制剂、防锈剂、防雾剂、脱皮剂、增溶剂、精炼剂等等，国外表面活性剂的品种有5000多种。据《染料索引》第三版统计，不同化学结构的染料品种有5000种以上.
(3)固定投资少、资金产出率高。
精细化学品一般产量都较少，装置规模也较小，很多是采用间歇生产方式，其通用性强，与连续化生产的大装置相比，具有投资少、见效快的持点，也就是说投资效率高。工业发达国家经过70年代两次石油危机，由于原料价格猛涨.致使经济受到很大的冲击。这促使其大型石化企业大量采用高新技术，在节能、技改、降低成本的同时、调整产品结构，向下游深度加工，向产品精细化、功能化、向综合生产的方向发展，走高附加值的生产路线，来发展精细化工产品。近几年来石油化工发展的一个最大特点是产品结构精细化，其发展趋势是化学工业内部行业结构、产品结构逐渐向高技术化、精细化、专用化方向发展。
例如，1美元石油化工原料经一次加工可产出初级产品2美元，二次加工成有机中间体可增值到4.8～8.0美元，再加工成塑料可增值到5美元，加工成合成纤维可增值到10美元，而加工成精细化学品则可增值到106美元。
又如，1977～1980年世界上100家化工大公司中，销售利润率高于20%的只有5家，销售利润率在15%～20%之间的也只有5家，它们都是生产精细化学品的公司。
(4)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。
精细化工是综合性较强的技术密集型工业。要生产一个优质的精细化工产品，除了化学合成以外，还必须考虑如何使其商品化，这就要求多门学科知识的互相配合及综合运用。就合成而言，由于步骤多，工序长，影响收率及质量的因素很多、而每一生产步骤(包括后处理)都涉及生产控制相质量鉴定，因此，要想获得高质量、高收率、且性能稳定的产品，就需要掌握先进的技术相进行科学管理。不仅如此，同类精细化工产品之间的相互竞争也是十分激烈的。为了提高竞争能力，必须坚持不懈地开展科学研究，注意采用新技术、新工艺和新设备，及时掌握国内外情报，搞好信息贮存。
因此，一个精细化学品的研究开发，要从市场调查、产品合成、应用研究、市场开发、技术服务等各方面全面考虑和实施，这需要解决一系列的技术课题，渗透着多方面的技术、知识、经验和手段。从另一方面看，精细化工产品的技术开发成功率是比较低的，特别是医药，随着对药效和安全性越来越严格的要求，造成了新品种开发的时间长、费用大，其结果必然造成高度的技术垄断。按目前统计，开发一种新药约需5～10年，其耗资可达2000万美元。如果按化学工业的各个部门来统计，医药上的研究开发投资最高，一般精细化工产品来说，研究开发投资占年销售额的5～7%则是正常现象。而精细化工产品的开发成功率都很低，如在染料的专利什发中，经常成功率在0.1～0.2%。
技术密集还表现为情报密集、信息快。由于精细化工产品是根据具体应用对象而设计的，它们的要求经常会发生变化.一旦有新的要求提出，就必须按照新要求来重新设计化合物结构，或对原有的结构进行改进，其结果就会出现新产品。此外，大量的基础研究产生的新化学品也需要寻求新的用途。为此，某些大化学公司已经开始采用新型计算机信息处理技术对国际化学界研制的各种新化合物进行贮存、分类以及功能检索，以达到快速设计和筛选的目的。
技术密集这一特点还反映在精细化工产品的生产中是技术保密性强，专利垄断性强。这几乎是各精细化工公司的共同特点。它们通过自己的技术开发部拥有的技术进行生产，并以此为手段在国内及国际市场上进行激烈竞争。因此，一个具体品种的市场寿命往往很短。例如，新药的市场寿命通常只有3～4年。在这种激烈竞争而又不断改进的形势下，专利权的保护是十分重要的。
精细化工产品一般都有一定的寿命，通常是起初处于萌芽期，其销售量较少；以后进人成长期.而在成长前期销售量增长较快，到了后期增长变馒；然后达到饱和期，其销售量不再增长；最后进入衰退期，逐渐被新产品所取代。因此，不断开发新品种、新剂型、新配方引提高开发新品种的创新能力，是当前国际上精细化工发展的总趋势。
(5)在生产工艺、技术和配方等方面都有很大改进余地，生产稳定期短，需要不断地进行技术改进。配方和加工方面的技术秘密和专利，造成市场上的垄断性和排他性。经过剂型加工和复配技术所制成的商品数目，往往远远超过由合成而得到的单一产器数目。采用复配技术所推出的产品，具有增效、改性和扩大应用范围等功能，其性能往往超过结构单一的产品。因此，掌握复配技术是使精细化工产品具备市场竞争能力的一个极为重要的方面。但这也是目前我国精细化工发展的一个薄弱环节，必须给予足够的重视。
(6)商品性强，市场竞争激烈，因此市场调查和预测非常重要。在产品推销上，应用技术和技术服务非常重要。
上述特点，仅从众所周知的成品药、化妆品等精细化学品就可以看出。这里就不详细述说了。
1.4               精细化工在国民经济中的作用
精细化工是国民经济中不可缺少的组成部分，其主要作用有以下几个方面。
(1)直接用作最终产品或它们的主要成分。如医药、染料、香料、味精、糖精等。
(2)增加或赋予各种材料以特征。如塑料工业所用的增塑剂、稳定剂等各种助剂，可使塑料具有各种良好的性能。又如人造脏器，血液透析膜等。
(3)增进和保障农、林、牧、渔业的丰产丰收。如选种、浸种、育秧、病虫害防治、土壤化学、水质改良、果品早熟和保鲜等都需要借助精细化学品的作用来完成。
(4)丰富人民生活。如保障和增进人类健康、提供优生优育、保护环境洁净卫生、以及为人民生活提供丰富多彩的衣食住行等方面的享受性用品等都需要添加精细化学品来发挥其特定功能。
(5)渗入其他行业、促进技术进步、更新换代。如粘合剂的开发使外科缝合手术和制鞋业改观。
(6)高经济效益。这已影响到一些国家的技术经济政策，不断提高化学工业内部结构中精细化工产品的比重，即精细化工率。
精细化工(产值)率=

据统计，美国精细化工率20世纪70年代为40%，80年代增至45%，90年代已超过53%；德国为56%，日本已达57%。预计到2000年发达国家精细化工率将增至60%～65%。中国精细化工率1990年只有25%，1995年增至32%，2000年提高到40%～45%，预计2010年提高到60%。
1.5               精细有机合成的原料资源
精细有机合成的原料资源是煤、石油、天然气和动植物。
1.5.1          煤
煤的主要成分是碳，其次是氢，此外还有氧、硫和氮等其他元素，它们以结构复杂的芳环、杂环或脂环的化合物存在。煤通过高温干馏、气化或生产电石提供化工原料。
(1)煤的高温干馏煤在隔绝空气下，在900～1100%进行干馏(炼焦)时，生成焦炭、煤焦油、粗苯和煤气。
高温炼焦的煤焦油是黑色粘稠液体，它的主要成分是芳烃和杂环化合物，已经鉴定的就有400余种。煤焦油经过进一步加工分离可得到萘、1－甲基萘、2－甲基萘、蒽、菲、芴、苊、芘、苯酚、甲酚、二甲酚、氧芴、吡啶、甲基吡啶、喹啉和咔唑等化工原料。粗苯经分离可得到苯、甲苯和二甲苯。煤高温干馏提供的化工原料已不能满足精细有机合成工业的需要，因此还开发了其他原料来源，或者用合成法来制备，例如苯酚、吡啶和蒽醌等。
(2)煤的气化  煤在高温、常压或加压条件下与水蒸气、空气和两者的混合物相反应，可得到水煤气、半水煤气或空气煤气。煤气的主要成分是氢、一氧化碳和甲烷等，它们都是重要的化工原料。作为化工原料的煤气又称合成气，但现在合成气的生产主要以含氢较高的石油加工馏分或天然气为原料。