第五章 绿色催化精选文档.ppt
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1、第五章 绿色催化本讲稿第一页,共三十八页2022/10/18绿色化学2催化在绿色化学中的重要性催化在绿色化学中的重要性 催化是化学工业的基石,化学工催化是化学工业的基石,化学工业上的重大变革、技术进步多数是因业上的重大变革、技术进步多数是因为因的催化材料或者技术的产生,因为因的催化材料或者技术的产生,因此要发展这样的一门对环境友好,造此要发展这样的一门对环境友好,造福于人类的绿色化学,催化尤为关键,福于人类的绿色化学,催化尤为关键,促使研究人员的持续研究。促使研究人员的持续研究。本讲稿第二页,共三十八页2022/10/18绿色化学3 催化剂在绿色化学充当重要的角色。催化剂在绿色化学充当重要的角
2、色。工业上工业上80%以上的产品是依赖于催以上的产品是依赖于催化剂和催化过程实现的。化剂和催化过程实现的。公元前使用的催化剂是酶催化剂。公元前使用的催化剂是酶催化剂。合成氨催化剂的诞生揭开了现代合成氨催化剂的诞生揭开了现代化农业的序幕,满足了地球上日益人口化农业的序幕,满足了地球上日益人口增加的粮食问题。增加的粮食问题。本讲稿第三页,共三十八页2022/10/18绿色化学4 催化催化作为绿色化学的一项重要内容,研究如何应用催化转化作为绿色化学的一项重要内容,研究如何应用催化转化并开发新的催化剂越来越受到科学家们的重视,并做出了许多新并开发新的催化剂越来越受到科学家们的重视,并做出了许多新的研究
3、成果。的研究成果。绿色化学与催化绿色化学与催化本讲稿第四页,共三十八页2022/10/18绿色化学5本章主要内容本章主要内容 催化剂在原子经济性化学反应中的应用催化剂在原子经济性化学反应中的应用 无毒、无害的催化剂的应用无毒、无害的催化剂的应用 生物催化合成的研究生物催化合成的研究本讲稿第五页,共三十八页5.1 5.1 催化剂在原子经济性催化剂在原子经济性化学反应中的应用化学反应中的应用 在反应物不变的前提下,改用在反应物不变的前提下,改用“绿色绿色”催化剂,能用简单、安全、环境友好、资催化剂,能用简单、安全、环境友好、资源有效的操作,快速定量地把廉价易得的源有效的操作,快速定量地把廉价易得的
4、起始原料转化为天然或设计的目标分子,起始原料转化为天然或设计的目标分子,原子利用率高,能推动绿色化学的快速发原子利用率高,能推动绿色化学的快速发展。展。本讲稿第六页,共三十八页2022/10/18绿色化学7 理想的原子经济性的合成反应应该是原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料分子中的原子百分之百地转变成产物,不不需要附加需要附加,或仅仅需要无损耗的促进剂或仅仅需要无损耗的促进剂,即即催化剂催化剂。例如:有乙烯制备环氧乙烷的过程,以往方例如:有乙烯制备环氧乙烷的过程,以往方法是:法是:本讲稿第七页,共三十八页2022/10/18绿色化学828714411118
5、74本讲稿第八页,共三十八页2022/10/18绿色化学9采采用用乙乙烯烯催催化化环环氧氧化化方方法法仅仅需需一一步步反反应应,原原子子利利用用率率达达到到100%,产率,产率99%。281644分子量:分子量:本讲稿第九页,共三十八页2022/10/18绿色化学102 无毒、无害的催化剂的应用无毒、无害的催化剂的应用 使用对人类和生态环境无毒、无害的催化剂使用对人类和生态环境无毒、无害的催化剂获得目标产物是绿色化学的追求目标。获得目标产物是绿色化学的追求目标。例如甲基丙烯酸甲酯(例如甲基丙烯酸甲酯(methylmethacrylate)是重)是重要的高分子单体,传统的工业制法为:要的高分子单
6、体,传统的工业制法为:。本讲稿第十页,共三十八页2022/10/18绿色化学112 无毒、无害的催化剂的应用 而壳牌公司开发的一步催化法为:而壳牌公司开发的一步催化法为:原子利用率,产物选择性均大于原子利用率,产物选择性均大于99%,而,而且避免使用强腐蚀性且避免使用强腐蚀性H2SO4的使用的使用。本讲稿第十一页,共三十八页2022/10/18绿色化学12 又又如如无无铅铅汽汽油油添添加加剂剂甲甲基基叔叔丁丁基基醚醚(MTBE)的的工工业业生生产产过过程程用用磺磺酸酸树树脂脂取取代代浓浓 H2SO4作作醚醚化化催催化化剂剂。可可见见,无无毒毒、无无害害的的催催化化剂剂保保证证了了绿绿色色化化学
7、学,从从根根本本上上消消除除污污染染。本讲稿第十二页,共三十八页2022/10/18绿色化学133 生物催化合成的研究生物催化合成的研究 利用生物催化(酶,微生物等催化)合成化学品不但具有条件温利用生物催化(酶,微生物等催化)合成化学品不但具有条件温和、转化率高的合成的优点,而且,可以合成手性化合物及高分子和、转化率高的合成的优点,而且,可以合成手性化合物及高分子及化学法难于合成的化合物。生物催化合成的产品有类固醇及甾醇及化学法难于合成的化合物。生物催化合成的产品有类固醇及甾醇合成,类萜合成,生物碱合成,半合成抗生素合成,有机酸类合成,合成,类萜合成,生物碱合成,半合成抗生素合成,有机酸类合成
8、,糖的转化,药用多肽及蛋白质的合成,氨基酸类合成,胺合成等。糖的转化,药用多肽及蛋白质的合成,氨基酸类合成,胺合成等。本讲稿第十三页,共三十八页2022/10/18绿色化学14以下是几个例子以下是几个例子:(1)传统化学法由丙烯腈合成丙烯酰胺,)传统化学法由丙烯腈合成丙烯酰胺,转化率仅为转化率仅为97%98%,由化学法合成的,由化学法合成的丙烯酰胺聚合生成的聚丙烯酰胺分子质量丙烯酰胺聚合生成的聚丙烯酰胺分子质量很难超过很难超过1200万,而采用生物法即采用丙万,而采用生物法即采用丙烯腈水合酶催化合成,其转化率达烯腈水合酶催化合成,其转化率达99.9%以上,比化学法成本低以上,比化学法成本低10
9、%以上,聚合生以上,聚合生成聚丙烯酰胺分子质量达成聚丙烯酰胺分子质量达2000万。万。本讲稿第十四页,共三十八页2022/10/18绿色化学15(2)利用酶法生产的氨基酸有很多,若利)利用酶法生产的氨基酸有很多,若利用顺酐和富马酸等为原料经化学法生产天用顺酐和富马酸等为原料经化学法生产天门冬氨酸,转率仅为门冬氨酸,转率仅为8085%,而采用酶,而采用酶法生产,天门冬氨酸的转化率可达法生产,天门冬氨酸的转化率可达99%以以上。上。本讲稿第十五页,共三十八页2022/10/18绿色化学16(3 3)酶催化剂将化学合成的前体、潜)酶催化剂将化学合成的前体、潜手性化合物或外消旋衍生物转化为手性化合物或
10、外消旋衍生物转化为单一、光学活性产物,根据有机化单一、光学活性产物,根据有机化学基本理论中关于立体化学的阐述,学基本理论中关于立体化学的阐述,可知通过酶催化而生成的手性化合可知通过酶催化而生成的手性化合物在精细化工中占极重要的地位。物在精细化工中占极重要的地位。它利用生物酶的生物合成和拆分,解决手性源问题,还减它利用生物酶的生物合成和拆分,解决手性源问题,还减少化学合成中的污染和无效对映体,称为少化学合成中的污染和无效对映体,称为“绿色合成绿色合成”。例如德国例如德国BASFBASF公司研究了酶法制旋光性胺,氨基酸等,用公司研究了酶法制旋光性胺,氨基酸等,用脂酶催化拆分外消旋混合物,产率及对映
11、体的纯度高。脂酶催化拆分外消旋混合物,产率及对映体的纯度高。可见,生物酶催化技术是现代绿色化学加工业重要部分极可见,生物酶催化技术是现代绿色化学加工业重要部分极富生命力。富生命力。本讲稿第十六页,共三十八页2022/10/18绿色化学17化学生物技术在绿色化学的应用化学生物技术在绿色化学的应用 生生物物技技术术(生生物物工工程程技技术术,生生物物工工艺艺)是是利利用用活活的的生生物物体体或或者者生生物物体体的的组组成成部部分分制制造造或或改改造造产产品品,通通过过生生物物技技术术一一旦旦获获得得某某种种有有价价值值的的物物种种,便便能能永永久久保保存存和和利利用用,周周期期短短、见见效效快快,
12、并并可可以以连连续续长长期期利利用用它它创创造造财财富富和和基基本本上上无无环环境境污污染染。绿绿色色化化学学与与生生物物技技术术是是绿绿色色技技术术领领域域中中最最佳佳的的两两个个支支撑撑点点,是是绿绿色色技技术术真真正正的的希希望望所所在。在。本讲稿第十七页,共三十八页2022/10/18绿色化学18生物催化丙烯腈制丙烯酰胺在已建几套千生物催化丙烯腈制丙烯酰胺在已建几套千吨级工厂的基础上,一套吨级工厂的基础上,一套2 2万吨万吨/年工厂正年工厂正在投产;在投产;以厌氧活性污泥为原料的以厌氧活性污泥为原料的“有机废水发酵有机废水发酵法制氢技术法制氢技术”研究目前已通过中试验证,研究目前已通过
13、中试验证,实现了中试规模连续非固定菌长期操作生实现了中试规模连续非固定菌长期操作生物制氢;物制氢;以玉米淀粉制得的糖类化合物为原料,采以玉米淀粉制得的糖类化合物为原料,采用生物发酵法制造甘油,已建成示范工厂。用生物发酵法制造甘油,已建成示范工厂。生物催化生物催化本讲稿第十八页,共三十八页2022/10/18绿色化学19 以以酶酶或或微微生生物物作作为为生生物物催催化化剂剂的的催催化化氧氧化化技技术术反反应应条条件件温温和和,选选择性高,是目前最受欢迎的清洁生产技术之一。择性高,是目前最受欢迎的清洁生产技术之一。生物酶催化氧化生物酶催化氧化本讲稿第十九页,共三十八页1980年年Cetus公司报道
14、了公司报道了PO的生物酶法催化的生物酶法催化氧化技术。其原理是生物质在氧化酶作用下氧化技术。其原理是生物质在氧化酶作用下产生过氧化氢,再通过卤过氧化酶的催化作产生过氧化氢,再通过卤过氧化酶的催化作用,与丙烯和卤离子反应生成卤丙醇,然后用,与丙烯和卤离子反应生成卤丙醇,然后在卤醇过氧化酶催化下生成在卤醇过氧化酶催化下生成PO。由于还没有找到高效的丙烯环氧化的单氧酶由于还没有找到高效的丙烯环氧化的单氧酶(monooxygenase),再加上该技术综合经济,再加上该技术综合经济技术指标太差,近年来直接用生物酶催化氧技术指标太差,近年来直接用生物酶催化氧化丙烯合成化丙烯合成PO的研究报道已很少见。的研
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