有机化学在生活中的应用范文篇1

作为污水处理的副产物，城市污泥是一类特殊的固体废物，其产生量大，成分复杂，由胶体、无机颗粒、有机残片、细菌菌体等组成，是组成非常复杂的非均质体，含有60%～80%的有机物，被世界水环境组织命名为“生物固体”，表明了污泥具有资源化的潜质。将污泥制成活性炭是很有发展前景的污泥资源化的处置方式之一，它在保证了污泥不会造成二次污染的基础之上，还能制得活性炭吸附材料。

1污泥的来源与组分

从元素的角度来讲，污泥中的有机物主要包含碳（C）、氢（H）、氧（0）、氮（N）、硫（S）、氯（Cl）等六种元素。从化学组成的角度来讲，污泥中的有机物组成包含毒性有机物、有机生物质和有机官能团化合物和微生物。污水处理厂的剩余活性污泥的主要组成成分为有机物，粗蛋白质大概占60%～70%，碳水化合物大约占25%左右，其无机灰分的含量仅为5%左右[4]。

2污泥制备活性炭的国内外研究现状

污泥基活性炭的活化方法主要有物理活化、化学活化和化学-物理联合活化等。

2.1物理活化法

物理活化法主要包括直接热解法和气体活化法。

2.1.1直接热解法

直接热解法是指在氮气气氛的保护作用下，将污泥置于电阻炉中，将污泥加热至热解温度后保持恒温一段时间，再经后续处理得到粉末状污泥基吸附剂。Fan等[5]利用天津市污水处理厂产生的厌氧消化污泥为原材料，用氮气作保护气，以15℃/min的升温速率升至500℃，并在此温度下直接热解3h，制得的污泥基活性炭主要以中孔和大孔为主。新加坡学者Lu等[6]采用直接热解法制备污泥基吸附剂，由研究可以得出，在较低的温度范围内，随着热解温度的升高与停留时间的延长，污泥基吸附剂的比表面积也呈现出逐渐增加的趋势；当温度在550～650℃之间时，随着热解温度的升高，其比表面积却呈现出了下降的趋势；当热解温度超过850℃以后，比表面积逐渐减小。

2.1.2气体活化法

气体活化法制备污泥基活性炭是指先对污水污泥直接进行高温热解，然后利用水蒸汽、CO2、O2等活化气体，在600～1200℃下对碳进行弱的氧化作用，疏通材料的孔径，使其发生造孔与扩孔的现象，进而形成碳基吸附剂的多孔微晶结构。有研究结果表明，热解温度、热解时间和气体流量会影响污泥基吸附剂的孔径分布，改变活化气体中CO2与H2O比例可以控制吸附剂的孔径分布。

Jindarom等利用污泥制备活性炭吸附材料，采用二氧化碳气体作为保护气体，于750℃下活化30min，升温速率为20℃/min，制得的污泥基活性炭的比表面积为61m2/g。Méndez等利用污水处理厂产生的厌氧与好氧消化污泥作为原材料，采用气体活化法制备污泥基活性炭。在隔绝空气的条件下采用氮气作为保护气，在450℃下热解1h，制得的污泥基活性炭的比表面积分别为16m2/g和81m2/g。为了进一步提高污泥基活性炭的吸附性能，在N2和O2的混合气流下，以10℃/min的升温速率升温至275℃，并在此温度下活化4h，其中，O2与N2的体积比为1：29，流量为150mL/min。碳化-气体活化后的污泥基活性炭的比表面积分别增加至102m2/g和105m2/g。由此实验结果可以得出，气体活化法可以显著的提高两种污泥基活性炭的比表面积值，其中对于厌氧消化污泥制备的污泥基活性炭吸附性能的提高效果更为显著。

2.2化学活化法

化学活化法对于制备高比表面积污泥基吸附剂具有显著优势，目前采用的化学活化剂主要有H2SO4、H3PO4、ZnCl2、NaOH和KOH等。在污泥的热解工艺中，由于污水污泥的来源和特性不同，活化剂的选择显得非常重要，选择出合适的化学活化剂不仅可以提高污泥基吸附剂的产率与碳含量，还可以缩短制备过程中的活化时间，更可以大幅度的提高污泥基吸附剂的吸附性能。

2.2.1硫酸活化法

目前，国内外大多数的采用硫酸作为活化剂制备污泥基吸附剂研究均采用先将污泥在各种不同浓度的H2SO4溶液中浸渍24～48h，然后在N2氛围下热解一定时间，热解温度对制得的污泥基吸附剂的比表面积会产生一定的影响。

Bagreev等采用肥料厂产生的含水率为5%的污泥作为原材料，于300℃下制备的污泥基吸附剂比表面积值很低，仅为26m2/g；当活化温度增加到600℃时，污泥基吸附剂的比表面积有了明显的提高，由原来的26m2/g增加到了170m2/g。Zhang等[13]利用有机污泥制备污泥基吸附剂，当热解温度为650℃、热解时间为60min时，实验测得污泥基吸附剂的比表面积为408m2/g，为直接热解法制备的污泥基吸附剂的2.97倍。由二者的对比可以得出，污水污泥的来源和特性对于污泥基吸附剂的比表面积有很大的影响，采用H2SO4作为化学活化法制得的污泥基吸附剂吸附性能明显优于直接热解法和气体活化法。

2.2.2氯化锌活化法

采用ZnCl2作为化学活化剂制备污泥基吸附剂是目前国内外研究中通常采用的方法之一。在高温热解活化过程中，ZnCl2主要起润涨、脱水以及缩合的作用，对纤维素的降解产生促进作用，避免热解过程中焦油的产生以提高吸附剂含碳量，从而制备具有孔隙结构发达的吸附剂[14]。当ZnCl2浓度较小时，污泥基吸附剂主要孔隙结构是微孔，随着氯化锌浓度的增大，微孔逐渐转变为中孔。过长的浸渍时间和过大的浸渍浓度会导致微孔变成中孔甚至形成大孔。有研究表明，较高的氯化锌浓度可以提高污泥基吸附剂的产率。采用氯化锌作为化学活化剂可以制得比表面积较高的污泥基吸附剂。ZnCl2对污泥的化学活化作用很明显，是一种效果很好的化学活化剂。制得的污泥基吸附剂中含有的氯化锌晶体可以通过酸洗和水洗去除。

2.2.3磷酸活化法

磷酸作为活化剂时，在活化过程中同时起到脱水和酸催化的作用。Zhang等[13]采用H3PO4作为化学活化剂，活化温度650℃下制得的污泥基吸附剂的比表面积为289m2/g。但是，磷酸具有很强的腐蚀性，会严重的腐蚀设备，因此限制了它在工业化生产中的应用，而且，采用磷酸作为化学活化剂时，所采用的污泥的化学成分有一定的限制。

2.2.4氢氧化钾活化法

KOH作为活化剂时，在氧化反应中其自身具有一定的催化作用。有研究表明，在采用“碳化-浸渍活化”两段法制备污泥基吸附剂的过程中，采用KOH作为化学活化剂时，污泥基吸附剂的比表面积较高。

一般认为，KOH的活化原理为：4KOH+CK2CO3+K2O+2H2

Ródenas等采用“碳化-浸渍活化”两段法制备污泥基吸附剂，其比表面积为1900m2/g。其中，碳化阶段制得的污泥基吸附剂的比表面积为7m2/g，而经过KOH活化后制得的污泥基吸附剂的比表面积增加了大约270倍。由此可以得出，KOH作为化学活化剂制备的污泥基吸附剂的比表面积较高，其造孔效果明显。

黄正宏等采用KOH作为化学活化剂制备粘胶基活性炭纤维，实验结果表明：试验中所采用的两种活化方法制备的粘胶基活性炭纤维均以微孔为主，但是，KOH活化制得的粘胶基活性炭纤维的孔径分布不同于其他方法制备的粘胶基活性炭纤维，具有更窄的孔径分布。

总之，不同的化学活化剂在活性炭吸附材料的制备过程中所起的作用是不同的。目前，H2SO4、ZnCl2应用的最多，H3PO4和KOH应用的相对少一些。

2.3化学物理联合活化法

化学-物理联合活化法是指将化学活化法与物理活化法有效地结合起来，通过调整活化气体流量以及污泥与活化剂的质量比来获得满意的污泥基活性炭。由化学活化法制备的活性炭以微孔为主，由物理活化法制备的活性炭主要是多孔微晶结构，由化学-物理联合活化法制备的污泥基活性炭以中孔为主，比表面积大，而且表面形成了特殊化学官能团。

3污泥基活性炭的实际应用

污泥基活性炭的吸附性能良好，但是由于污泥基活性炭中含有重金属以及其比表面积的限制，目前主要应用于环境污染控制领域，主要集中在废水和废气的治理方面。

3.1在废水处理中的应用

目前，污泥基活性炭在废水处理方面的应用主要包括以下几个方面：吸附废水中的重金属离子，吸附废水中的染料，吸附苯酚或苯酚类化合物，在“活性污泥―活性炭粉末”处理工艺中的应用，吸附其他污染物，如COD、苯甲酸、四氯化碳等。在利用污泥基活性炭吸附废水中的各种污染物时，不仅要考虑污泥基活性炭的孔径结构和比表面积，同时还要考虑其表面官能团的化学作用。

方平等采用ZnCl2作为化学活化剂对污泥进行高温热解制备污泥基活性炭，并将其应用于废水中Pb2+的去除。Otero等利用污泥制备活性炭，并对此活性炭去除有机废水中水晶紫（C16H8N2O8S2）、靛青红（C25H30ClN3）和苯酚等三种污染物的效果进行了研究。还有研究将污泥基吸附剂应用于废水中苯酚的去除，实验结果表明，当苯酚的浓度在100mg/L～2000mg/L范围内，吸附剂的质量浓度为0.5%，温度为25℃时，苯酚的平衡吸附容量为55mg/g，吸附平衡时间为4h。

3.2污泥基活性炭在废气处理中的应用

目前，污泥基活性炭在废气处理中主要应用于恶臭气体H2S、二氧化硫等气体的去除。污泥基活性炭吸附去除H2S的主要机理为污泥基活性炭表面附着的一些金属氧化物对于H2S转化为S单质的催化氧化作用，主要与污泥基活性炭表面的空隙结构和污泥基活性炭表面催化剂的分布、位置及其与活性炭的结合方式有关，其中污泥基活性炭表面的空隙结构决定了反应产物固态硫的存储和转移，后者则决定了催化反应发生的程度。中孔结构较为发达的污泥基活性炭有利于氧化产物固态硫的储存，而且污泥基活性炭表面的金属氧化物有催化氧化作用，因此，对于H2S气体的去除，污泥基活性炭比商品活性炭更具有优势。有研究表明，当污泥基活性炭用于去除H2S时，其吸附容量为商品活性炭的2～3倍，平均100g的污泥基活性炭就可以吸附10gH2S气体。

污泥基活性炭吸附二氧化硫时首先发生的是物理吸附过程，二氧化硫被吸附到活性炭表面以后继续被氧化为三氧化硫，最后与水反应生成硫酸，硫酸再与污泥基活性炭中的无机氧化物发生反应，生成可溶性的硫酸盐，当污泥基活性炭中的活性无机组分消耗完毕时，反应停止。

4结语

将城市污水处理厂产生的污水污泥制备成孔隙结构发达的污泥基活性炭，既可以解决污泥的处理处置问题，又可以充分利用污泥中丰富的有机质，达到污泥资源化的目的。然而，不同物理活化剂和化学活化剂之间在污泥热解过程中存在不同的相互作用，探明活化剂之间的相互作用机理，对确定物理活化剂与化学活化剂的最优组合很关键，有待进一步深入研究。污泥基活性炭的制备过程中，挥发一定的有毒有害气体，需要研究其净化方法，以防止二次污染的发生。

[参考文献]

[1]谷晋川，蒋文举，雍毅.城市污水厂污泥处理与资源化[M].第一版，北京：化学工业出版社，2008.

[2]BurtonF.L.，StenselH.D.，etal.WastewaterEngineeringTreatmentandReuse，4thEdition[M].NewYork.McGrawHillBookCompany，2002.

[3]何品晶，顾国维，李笃中等.城市污泥处理与利用[M].北京：科学出版社，2003.

[4]万洪云.利用活性污泥制造活性炭的研究.干旱环境监测，2000，14（4）：202～206.

有机化学在生活中的应用范文

关键词：不对称小分子催化合成药物合成应用

随着科技的发展以及人们对化学的合成、药物制作和材料科学方面的认识的提高，手性越来越受到人们的重视。要想获得光学活性物质，其有效的方法之一就是进行不对称催化，催化剂的合理设计与使用能够让反应的立体选择性得以提高。有机金属催化剂发生具有立体选择性的不对称反应是比较多样的，不过其反应需要的价格是比较昂贵，再加上回收套用以及残留金属处理问题限制了该有机金属催化剂在有机合成行业中的应用地位。

相比有机金属催化剂，其有机小分子催化剂则成为了更好的选择，有机小分子能够在温和的反应条件、对环境不造成危害条、较低成本条件下以及反应不存在残留金属等等条件下都能够发生，因此手性有机小分子催化剂成为了当前世界上诸多学者们研究的有机合成的对象，手性有机小分子从此便成为了在酶催化与手性金属络合物催化两者之后的第三个有广泛用途的手性催化剂，即手性有机小分子催化剂的黄金应用时期。

一、小分子催化反应分类

1.给体的活化——亲核性催化

利用手性有机小分子催化剂进行催化的过程中，让反应底物内的给体与催化剂进行反应，进而得到反应活性中间体，其亲核性要高于原有给体，即与受体进行反应的能力增高，该催化剂活化机制成为亲核性活化。

2.亲电性催化活化

亲电性催化活化反应过程中是让反应底物中受体与催化剂进行反应产生中间体，中间体的亲电性要高于原有受体，使得其与给体反应产生产物的能力增强。该类型催化以仲胺类化合物为主，结合受体得出亚胺离子历程，进而通过减小反应中心电子云的密度来使其更易接受亲核试剂的进攻。

二、药物合成方法

1.外消旋体拆分法

该方法需要有一定的溶剂才能进行，而且最主要的是拆分剂要想找到一个合适的是非常困难的。因此利用外消旋体拆分法的缺点就是需要先合成外消旋的目标产物才能进行不对称水解拆分来制备手性化合物，且其拆分收率最高不超过一半。

2.化学—酶合成法

当前在工业合成上使用广泛的合成法是化学-酶合成法，即利用纯酶或者微生物催化来完成一些合成反应内的主要步骤，而一般步骤则使用化学合成法，进而能够将两者的优点都体现出来。化学生物等学科开始相互联系与交融，使得生化合成法（化学-生物合成法）的优势逐渐体现出来，进而也确定了手性药物未来的研究方向。

3.酶催化手性药物合成法

该方法相比于化学法而言有着较强的立体选择性，其能够在温和的反应条件下进行，且有着较低的成本和污染，操作也简单易懂，其能够完成一些化学法不能进行的反应。不过生物催化剂需要较高成本投入，且选择底物方面要求较高。该合成法的优点为：反应条件温和、环境友好以及立体选择性较高。

4.不对称催化法

该合成催化法的优点为：经济性高、对映选择性高。工收化实现较为简单且能够进行手性增值，其是当前手性药物合成中前途最好的方法。其优点中优势最高的就是手性增值，利用量级的催化反应手性原始物质进而去进行立体选择生产，得到较多的手性目标产物。该过程无需使用过多手性试剂，但是可能会使用到一些较为昂贵的过渡金属，甚至是比过度金属概要归的手性配体，这也是不对称催化法受到限制的主要原因之一。因此我们应积极探索出其简单的手性配体的合成方法，进而能够将立体性与活性都高的催化剂筛选出来。

三、在药物合成中的应用——形成非共价键活化底物

小分子催化过程中，会出现一类催化剂，其与底物之间是通过分子间的微弱作用力进行作业而不是生成共价键来活化底物。这类催化剂主要为利用手性模板进行活化和氢键活化底物等等。

1.含有硫脲结构的手性催化剂

Pictet-Spengler反应，在具有生物活性的四氢咔啉类衍生物的合成中，Lee等用含硫脲结构的手性催化剂，催化2-取代的吲哚乙胺与醛反应的不对称Pictet-Spen-gler反应，当催化剂硫脲氮上含有大位阻取代基时，效果比较好，ee高达95%，可能是大位阻限制了反应进行的取向，从而得到该构型的产物。

2.手性膦酸催化剂

手性磷酸是中等强度酸催化，其能够将一些酸用来催化进行不对称反应，其典型案例有：Friedel-Crafts反应，手性膦酸可以催化多种类型的不对称Friedel-Crafts反应。在一种3-吲哚甘氨酸衍生物的合成中，康强等经过对手性膦酸催化剂的筛选及反应条件优化，发现高位阻的手性膦酸催化剂催化可以获得产物的ee达到了87%。

3.不对称相转移催化

在手性小分子催化剂中，手性相转移催化剂是比较重要的，其也是利用与底物分子结合得到手性离子对的非共价键，进而来催化不对称反应。不对称相转移催化是比较重要的有机合成方法。当前主要的手性相转移催化剂有C2类手性相转移催化剂（Maruoka等设计合成）与金鸡纳碱衍生的手性相转移催化剂，其占有不对称有机合成中催化剂使用的重要地位，文章也是主要做该方面的研究工作。

本课题组同时将新合成的手性相转移催化剂利用于甘氨酸叔丁酯衍生物的不对称烷基化反应，利用新合成的催化剂对甘氨酸叔丁酯衍生物的不对称烷基化反应进行了初步探索，ee中等到高等。

四、总结

目前小分子催化剂逐渐增多，使得化学反应和有机合成发生了质的变化。不过我们也应了解到其不对称小分子催化反应的缺点与不足也是比较多的，诸如催化剂利用率不高、催化反应应用范围不大等等，因此还需要我们的进一步努力和研究，研发出更多类型的高效多官能团的手性小分子催化剂，使得我们在药物合成中更多看到不对称小分子催化的身影。

参考文献

[1]Song，H.L.Chiralphosphine-squaramidesasenantioselectivecatalystsfortheintramolecularMorita-Baylis-Hillmanreaction.ChemicalCommunications.2011

[2]周元清.手性双噁唑啉配体在不对称合成中的应用[J].广州化学.2009（02）：32-34.

[3]程传玲，郝二军，李伟，徐桂清，王慧芳.脯氨酸衍生物有机小分子催化剂的研究进展[J].精细石油化工.2011（05）：13-17.

有机化学在生活中的应用范文

关键词：有机合成闪速化学微反应器

有机合成是人类改造、创造世界的有力工具，是有机化学不可分割的重要内容，其发展水平直接关系到有机化学研究的发展。近年来，随着我国社会经济的快速发展和科学技术的不断进步，在有机合成化学领域也取得了许多令人瞩目的成绩，例如生物活性天然产物合成、金属参与有机合成等方面有很多突破性的成果，并逐渐从物理有机化学向化学生物学、计算化学、绿色化学等领域发展，科研与生产能力得到了大幅度的提升。本文对闪速化学的原理与应用进行研究，旨在发挥新理念、新技术的优势，更好的促进我国有机合成化学的发展。

一、有机合成化学发展回顾

据统计，目前已知的有机化学反应数量达到3000多个，被广泛应用的有200多个，并且不断有新的有机合成被研发出来投入应用，这些有机化学反应直接催生出2000多万种有机化合物。在有机合成化学领域研究中，合成路线、合成策略、合成方法需要兼顾原子经济性、高效性、环境友好等原则，通过科学合理的合成设计与巧妙的方法确保有机合成的综合效益。

在1902年至2005年前，诺贝尔化学奖有25项给予了对有机合成领域有突出贡献的科学家，可见有机合成的重要地位及其发展速度之快。最近几十年来有机合成领域发展速度进一步加快，传统有机合成已向绿色合成转变，并渗透到生命科学等学科中产生了巨大的推动作用，组合化学、正向合成分析等理论与技术为精细化学品的研发提供助力，超声波、微波等技术的应用日益广泛，微生物、人工酶的利用工艺日益精湛，很好的体现了有机合成的创造性魅力，为人类的生产生活提供方方面面的支持和帮助。

二、闪速合成目标化合物的原理及特点

在有机合成过程中，我们通常要考虑如何在不降低产物收率的情况下更大幅度的减小反应时间，而一般情况下二者相互矛盾难以统一，降低反应时间往往导致反应过程无法有效控制，最终导致产物收率降低，甚至生成许多副产物。为了有效解决这一问题，Yoshida提出了闪速化学的方法，并在聚合物快速合成中实验成功。其实早在上个世纪该理念便已体现在有机合成中，例如我们所熟知的闪速真空热解技术即是利用载气将前驱物带入裂解室快速获得产物，但因无法控制反应过程仅停留在理论层面。

新世纪以来微反应器技术的应用使闪速化学的实现成为了可能，微反应器的结构特点决定了其具有高效的热转换能力，可以对反应温度进行有效控制，能够快速、精确混合反应物料，并且精确控制滞留时间、快速实现物质分离转移，避免不必要的副产物生成。借助微反应器的诸多功能优势，闪速化学得以真正在有机合成中得到应用，对提高合成产物的产量和效率做出了重大的贡献。

闪速化学反应包括五种类型，主要针对有活性物质参与，或是易生成副产物、产物不稳定、放热剧烈以及需要高活性激发源的有机合成反应。闪速化学反应的特点主要是反应时间短，需要对反应物分子通过热激发、微波辐射等方式进行活化，并且往往产生敏感的高活性物质。

三、闪速合成目标化合物的应用

闪速化学的应用领域十分广泛，可以在氧化、酰化、取代、缩合等反应过程中应用，借助微反应器可以完成许多常规容器中无法实现的反应。下文中将进行列举分析。

1.中间体易分解反应中的应用

在常规容器中中间体易分解的反应，可以利用微反应器的滞留时间控制能力，在中间体分解前转移到后续反应，使化学合成得以顺利实现。例如以醇制备羰基化合物时需要进行低温Swern-Moffatt氧化，反应过程需要在零下50℃条件下进行以抑制副产物生成，而利用微反应器，在20℃条件下将滞留时间控制在0.01s产物收率高达90%，与使用常规容器相比不仅对反应条件限制更小，而且产物收率更高。又如羟醛缩合反应中生成的烯醇盐活性高不易积累，而借助微反应器控制滞留时间将其快速转移，仅用15s即可生成高产率的合成产物。另外如溴锂置换反应等均可通过控制中间体滞留时间来实现闪速置换。

2.易生成副产物反应中的应用

为了提高合成反应速度通常需搅拌反应体系，导致难以研究动力学过程和产品选择性，需要依靠降温等方式来减慢反应速率。而凭借微反应器可以在自然速率下控制反应，获得动力学信息，得到选择性产物。例如通过微反应器控制格式反应能够抑制多取代产物的生成，其他如微反应器中的芳香化合物碘化反应也可提高产物选择性。

3.产物易分解反应中的应用

许多有机合成反应产物稳定性差，滞留时间长会分解从而降低收率，凭借微反应器中的闪速合成可以精确控制滞留时间，避免产物分解。例如β-羟基酮的酸催化脱水反应在微反应器中用氢氧化钠溶液冷浸停止，能够有效降低产物滞留时间，避免酸催化产生的环化产物等副产物，获得接近100%纯度的产物。

4.高放热反应中的应用

对于高放热反应常规方法是控制反应速率，然而局部过热现象难以避免，利用微反应器可以及时导出热量，对反应温度进行有效控制，从而提高产物收率和反应速率。有文献研究证实，凭借微反应器对氟化反应的放热量和反应温度进行控制具有显著效果，类似的研究还有硝化反应、卤素与金属置换反应等等。

四、结语

有机合成是化学研究领域的重要内容，推动有机合成化学的发展对于经济发展与科技进步具有积极意义。闪速化学借助微反应器的功能优势，能够更高速、高效的完成许多常规容器内无法实现的合成反应，对于有机合成化学的发展有着重要的促进作用。但是关于闪速化学的研究与应用尚不成熟，未来需要进一步深入研究，将其推向工业生产，以满足现代生产生活对分子快速合成的需求。

参考文献

[1]（美）卡雷，（美）松德贝里.高等有机化学：反应与合成[M].科学出版社，2009.1.