北京化工大學(xué)2025年應(yīng)用化學(xué)（精細(xì)化工）試驗(yàn)班化工新產(chǎn)品開發(fā)試題及答案考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述化工新產(chǎn)品開發(fā)的意義和主要環(huán)節(jié)。并說明在精細(xì)化工領(lǐng)域進(jìn)行新產(chǎn)品開發(fā)時(shí)，除了技術(shù)可行性，還需要重點(diǎn)考慮哪些非技術(shù)因素？二、某精細(xì)化學(xué)品的目標(biāo)產(chǎn)物A的結(jié)構(gòu)如下（請自行繪制結(jié)構(gòu)式）：```O//R-CH=C-CH2-O-CH2-CH3\\OH```其中R為-C6H5（苯基）。請?jiān)O(shè)計(jì)一條以苯甲酸為起始原料，經(jīng)過不超過三步有機(jī)反應(yīng)合成目標(biāo)產(chǎn)物A的合成路線。要求：寫出主要反應(yīng)類型，并簡要說明每步反應(yīng)的關(guān)鍵條件或試劑。三、在實(shí)驗(yàn)室小試階段，合成某精細(xì)化工產(chǎn)品得到產(chǎn)率為75%。假設(shè)擬將此工藝放大到500公斤/批次的工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模。請簡述在放大過程中需要重點(diǎn)考察和解決的問題，并說明傳遞現(xiàn)象（如濃度、溫度、反應(yīng)物傳輸）對放大可能產(chǎn)生的影響。四、某新型有機(jī)顏料分子中含有香豆素結(jié)構(gòu)單元。簡述利用核磁共振氫譜（1HNMR）和紅外光譜（IR）信息，如何判斷該顏料分子是否達(dá)到純品狀態(tài)，并簡述其原理。五、設(shè)計(jì)一種香料（如薄荷醇、香葉醇等）的工業(yè)化生產(chǎn)工藝，必須包含以下要素：原料路線選擇理由、關(guān)鍵反應(yīng)的綠色化改進(jìn)措施（至少兩項(xiàng)）、催化劑的選擇與回收、以及初步的廢水處理方案設(shè)想。六、假設(shè)你負(fù)責(zé)開發(fā)一種新型表面活性劑，用于家居清潔產(chǎn)品。請簡述從市場調(diào)研、產(chǎn)品概念確定到最終產(chǎn)品形成的完整開發(fā)流程，并說明在哪個(gè)階段需要進(jìn)行詳細(xì)的成本效益分析和安全性評估。七、簡述精細(xì)化工產(chǎn)品中試放大時(shí)，設(shè)備選型需要考慮的主要因素。并舉例說明，為何對于某些特定反應(yīng)（如高放熱、強(qiáng)腐蝕性），簡單的體積放大并不能直接得到合適的生產(chǎn)設(shè)備，需要采用特殊設(shè)計(jì)或反應(yīng)器類型？試卷答案一、意義：化工新產(chǎn)品開發(fā)是推動(dòng)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步、提升產(chǎn)品競爭力、滿足社會(huì)發(fā)展新需求的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。它能夠創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并解決社會(huì)面臨的特定問題（如能源、環(huán)境、健康等）。主要環(huán)節(jié)：市場調(diào)研與機(jī)會(huì)識(shí)別、基礎(chǔ)研究與可行性分析（包括實(shí)驗(yàn)室小試）、工藝開發(fā)與優(yōu)化（中試放大）、產(chǎn)品性能評價(jià)與測試、知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)、經(jīng)濟(jì)性評估、市場推廣與商業(yè)化應(yīng)用、安全環(huán)保評估與法規(guī)符合性。精細(xì)化工領(lǐng)域非技術(shù)因素：原料供應(yīng)的穩(wěn)定性和成本、產(chǎn)品質(zhì)量的均一性和穩(wěn)定性要求、最終用戶的接受度和市場反饋、環(huán)保法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)（特別是VOCs、殘留物等）、安全生產(chǎn)與風(fēng)險(xiǎn)管理、生產(chǎn)工藝的能耗和物耗水平、知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局與保護(hù)、供應(yīng)鏈管理和物流成本。二、合成路線：```OOO//////R-CH=C-CH2-O-CH2-CH3->R-CH=CH-CH2-O-CH2-CH3->R-CH2-CH=CH2-O-CH2-CH3->目標(biāo)產(chǎn)物A\\\\//OHOHOH```反應(yīng)步驟與類型：1.第一步：苯甲酸與甲醇在酸性催化劑（如濃硫酸）作用下發(fā)生酯化反應(yīng)，生成苯甲酸甲酯。*反應(yīng)類型：酯化反應(yīng)。*關(guān)鍵條件：甲醇過量，加熱回流，催化劑。2.第二步：苯甲酸甲酯與格氏試劑（如PhMgBr，由苯和溴化鎂在無水乙醚中制備）反應(yīng)，生成烯丙基苯甲醇。*反應(yīng)類型：格氏反應(yīng)（有機(jī)金屬反應(yīng)）。*關(guān)鍵條件：無水條件（乙醚），低溫（0-5°C）滴加格氏試劑，隨后升溫反應(yīng)。3.第三步：烯丙基苯甲醇在酸性條件下（如PCC或DMSO-HCl）發(fā)生分子內(nèi)酯化或氧化，或者更直接地，第二步產(chǎn)物可以與丙酮在酸性條件下發(fā)生羥醛縮合反應(yīng)（克雷布斯反應(yīng)），生成目標(biāo)產(chǎn)物A。*反應(yīng)類型：羥醛縮合反應(yīng)（或分子內(nèi)酯化/氧化，取決于具體試劑和條件選擇）。*關(guān)鍵條件：酸催化劑，適宜溫度。（注：此路線為一種可能方案，其他路線如通過鹵代烴中間體等亦可）三、重點(diǎn)考察和解決的問題：1.反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與傳質(zhì)：實(shí)驗(yàn)室小試中混合均勻、傳質(zhì)阻力小，而工業(yè)放大時(shí)可能存在傳質(zhì)限制，影響反應(yīng)速率和選擇性。2.熱量傳遞：放大后反應(yīng)放熱速率加快，總熱量增加，需要有效的散熱措施（如夾套冷卻、內(nèi)循環(huán)等）防止溫度失控。3.攪拌效果：大體積反應(yīng)器內(nèi)保證良好的攪拌，使反應(yīng)物混合均勻，維持反應(yīng)器內(nèi)溫度和濃度均勻。4.反應(yīng)器類型選擇：根據(jù)反應(yīng)特性（如放熱、相態(tài)）選擇合適的反應(yīng)器類型（如攪拌釜、固定床、流化床等）。5.分離與提純：放大后分離提純工藝（如蒸餾、萃取、過濾）的效率和經(jīng)濟(jì)性可能變化，需要重新評估和設(shè)計(jì)。6.自動(dòng)化與控制：建立完善的在線檢測和自動(dòng)控制系統(tǒng)，保證生產(chǎn)過程穩(wěn)定、安全、高效。7.設(shè)備材質(zhì)兼容性：反應(yīng)物、產(chǎn)物或催化劑可能對設(shè)備材質(zhì)有腐蝕性要求，需選擇合適的材料。傳遞現(xiàn)象影響：*濃度：放大時(shí)反應(yīng)器內(nèi)可能存在濃度梯度，導(dǎo)致反應(yīng)速率不均，影響產(chǎn)率。*溫度：傳熱不均可能導(dǎo)致局部過熱或過冷，影響反應(yīng)選擇性，甚至引發(fā)危險(xiǎn)。*反應(yīng)物傳輸：傳質(zhì)阻力增大，外擴(kuò)散限制可能成為控制步驟，降低反應(yīng)效率。四、判斷純品狀態(tài)的方法：1.1HNMR：*原理：純品化合物應(yīng)只顯示一套（或幾套重疊但歸屬清晰）化學(xué)位移峰。若出現(xiàn)額外的峰（新的化學(xué)位移、裂分峰型變化、峰強(qiáng)度比不符合理論值），則表明存在雜質(zhì)。*操作：對樣品進(jìn)行全譜掃描，觀察積分面積是否與理論值一致，檢查是否有異常峰（如殘留溶劑峰、雜質(zhì)峰）。2.IR：*原理：純品化合物有其特征性的紅外吸收光譜。若存在雜質(zhì)，會(huì)在光譜中疊加額外的吸收峰，或者原有特征峰的強(qiáng)度、吸收峰位發(fā)生改變（如變寬、移動(dòng)）。*操作：測定樣品的紅外光譜，與純品標(biāo)準(zhǔn)譜圖或理論計(jì)算譜圖進(jìn)行比對，檢查峰位、峰形、峰強(qiáng)度是否一致。五、設(shè)計(jì)思路：（以設(shè)計(jì)一種脂肪醇類香料為例）1.原料路線選擇理由：*選擇天然來源（如松脂、油脂）或價(jià)格相對低廉的石化原料（如丙烯、乙烯）作為起始原料。*優(yōu)先考慮原子經(jīng)濟(jì)性高、環(huán)境影響小的路線。例如，從丙烯經(jīng)異丙醇、羥化、再經(jīng)分子重排或異構(gòu)化等步驟制備異戊醇（薄荷醇的一種可能來源）。*選擇具有良好生物降解性的原料和溶劑。*理由：成本效益高，來源穩(wěn)定，符合綠色化學(xué)要求。2.關(guān)鍵反應(yīng)綠色化改進(jìn)措施：*使用高效、高選擇性的催化劑：如酶催化（生物催化）替代傳統(tǒng)化學(xué)催化劑，降低能耗和副產(chǎn)物。例如，使用脂肪酶進(jìn)行酯化或轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)。*改進(jìn)反應(yīng)條件：采用低溫、低壓、常壓條件，減少能源消耗和設(shè)備要求。例如，優(yōu)化酶催化反應(yīng)的溫度和pH。*原子經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化：設(shè)計(jì)合成路線，使目標(biāo)產(chǎn)物與副產(chǎn)物的碳原子來源盡可能一致，提高原子利用率。*溶劑替代：使用水、超臨界流體（如CO2）或生物基綠色溶劑替代傳統(tǒng)有機(jī)溶劑。*減少廢物產(chǎn)生：對副產(chǎn)物進(jìn)行回收利用，或采用原位分析技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)分離目標(biāo)產(chǎn)物和廢物。3.催化劑的選擇與回收：*選擇：根據(jù)反應(yīng)類型和底物特性，選擇高活性、高選擇性、高穩(wěn)定性的催化劑。例如，對于羥基化反應(yīng)，可選用金屬納米顆粒催化劑（如Cu、Pd負(fù)載型）或酶（如細(xì)胞色素P450）。*回收：對于可溶性金屬催化劑，可采用萃取、沉淀、膜分離等方法回收；對于固載催化劑，可考慮多級反應(yīng)器設(shè)計(jì)或采用易于分離的固定床/流化床反應(yīng)器；對于酶催化，可進(jìn)行固定化酶的回收和再利用。4.廢水處理方案設(shè)想：*預(yù)處理：去除固體雜質(zhì)和大部分有機(jī)溶劑。*生化處理：采用活性污泥法或生物膜法等常規(guī)生化方法處理可生物降解的有機(jī)物。*高級氧化技術(shù)（AOPs）：如Fenton氧化、光催化氧化等，處理難降解有機(jī)物，將其礦化為CO2和H2O。*物化處理：如吸附（活性炭吸附）、膜分離（納濾、反滲透）等，去除殘留的溶劑、催化劑離子或鹽分。*資源回收：對廢水中可回收的溶劑、原料或營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行分離和再利用。六、開發(fā)流程：1.市場調(diào)研與機(jī)會(huì)識(shí)別：分析家居清潔市場的趨勢、消費(fèi)者需求（如對天然、環(huán)保、高效產(chǎn)品的偏好）、現(xiàn)有產(chǎn)品競爭格局、技術(shù)發(fā)展方向。識(shí)別潛在的細(xì)分市場或未被滿足的需求點(diǎn)。2.產(chǎn)品概念確定：基于市場調(diào)研結(jié)果，確定新表面活性劑產(chǎn)品的目標(biāo)性能（如清潔力、發(fā)泡性、低溫性能、配伍性、生物降解性、刺激性等）、應(yīng)用場景（如洗衣、洗碗、地板清潔）、成本范圍、環(huán)保安全要求。初步構(gòu)思產(chǎn)品配方和劑型。3.實(shí)驗(yàn)室研究：設(shè)計(jì)合成目標(biāo)表面活性劑（或篩選現(xiàn)有品種）的實(shí)驗(yàn)方案。進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征和性能評價(jià)（如表面活性、發(fā)泡性、穩(wěn)定性、與助劑的配伍性等）。優(yōu)化合成路線和工藝參數(shù)。4.中試放大與工程化：在實(shí)驗(yàn)室小試成功的基礎(chǔ)上，進(jìn)行中試規(guī)模的工藝驗(yàn)證?？疾旆磻?yīng)放大、分離提純、過程控制等環(huán)節(jié)的可行性和經(jīng)濟(jì)性。優(yōu)化中試工藝，為工業(yè)化生產(chǎn)提供依據(jù)。進(jìn)行初步的安全生產(chǎn)和環(huán)保評估。5.經(jīng)濟(jì)性評估與可行性分析：進(jìn)行詳細(xì)的成本核算（原料、能源、人工、設(shè)備折舊、環(huán)保投入等），估算產(chǎn)品售價(jià)和利潤。進(jìn)行市場預(yù)測，評估產(chǎn)品的市場潛力和盈利能力。完成初步的可行性研究報(bào)告。6.安全環(huán)保與法規(guī)符合性：進(jìn)行全面的安全性評估（急性毒性、皮膚刺激性、致敏性等），制定安全操作規(guī)程。進(jìn)行環(huán)境影響評估，設(shè)計(jì)三廢處理方案。確保產(chǎn)品符合目標(biāo)市場的相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)（如REACH、生物降解性標(biāo)準(zhǔn)等）。7.知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)：對新產(chǎn)品的配方、合成工藝等進(jìn)行專利布局，申請專利保護(hù)。8.市場推廣與商業(yè)化應(yīng)用：制定市場營銷策略，進(jìn)行產(chǎn)品定位和品牌建設(shè)。與下游客戶（洗滌劑廠等）建立合作關(guān)系，進(jìn)行產(chǎn)品試用和推廣。最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的商業(yè)化生產(chǎn)和銷售。需要進(jìn)行詳細(xì)成本效益分析和安全性評估的階段：*成本效益分析：主要在產(chǎn)品概念確定階段（初步估算）和經(jīng)濟(jì)性評估與可行性分析階段（詳細(xì)估算）進(jìn)行。目的是判斷產(chǎn)品是否有市場競爭力，能否實(shí)現(xiàn)商業(yè)盈利。*安全性評估：主要在實(shí)驗(yàn)室研究（初步篩選）和安全環(huán)保與法規(guī)符合性階段（全面評估）進(jìn)行。目的是確保產(chǎn)品對消費(fèi)者、生產(chǎn)者、環(huán)境的安全，并滿足法規(guī)要求，是產(chǎn)品上市的前提條件。七、設(shè)備選型主要因素：1.反應(yīng)機(jī)理與化學(xué)特性：如反應(yīng)是否放熱/吸熱、反應(yīng)溫度范圍、壓力要求（常壓、加壓、真空）、物料相態(tài)（液相、氣相、固相、多相）、反應(yīng)物/產(chǎn)物是否腐蝕性、是否產(chǎn)生有毒有害氣體、是否需要特殊攪拌（如靜態(tài)混合、微反應(yīng)器）。2.工藝規(guī)模：反應(yīng)器的容積需要滿足生產(chǎn)需求，但需考慮經(jīng)濟(jì)性，避免過度放大。3.傳熱要求：大規(guī)模反應(yīng)產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)超小試，需要高效的傳熱設(shè)計(jì)（如夾套、內(nèi)冷盤管、外循環(huán)等）。4.攪拌要求：保證反應(yīng)物混合均勻，特別是對于液相反應(yīng)，需要強(qiáng)大的攪拌能力，確保傳質(zhì)效率。5.分離與處理需求：反應(yīng)器設(shè)計(jì)需考慮后續(xù)分離提純的便利性，如是否便于出料、排渣、在線取樣等。6.自動(dòng)化與控制水平：工業(yè)生產(chǎn)要求高程度的自動(dòng)化，反應(yīng)器需具備良好的在線檢測（溫度、壓力、液位、成分等）和控制接口。7.投資成本與操作成本：在滿足工藝要求的前提下，盡量選擇性價(jià)比高的設(shè)備材料和結(jié)構(gòu)。8.安全規(guī)范與環(huán)保要求：設(shè)備設(shè)計(jì)必須符合相關(guān)的安全生產(chǎn)法規(guī)和環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。為何簡單體積放大不適用的情況及舉例：*原理：簡單的幾何相似放大（即保持各線性尺寸成比例放大）并不能保證傳遞現(xiàn)象（如傳熱、傳質(zhì)）與反應(yīng)器尺寸成比例變化，特別是當(dāng)反應(yīng)過程受到傳遞現(xiàn)象控制時(shí)。*舉例：*高放熱反應(yīng)：對于強(qiáng)放熱反應(yīng)（如氣相聚合），在小體積反應(yīng)器中，反應(yīng)器表面積與體積之比很大，散熱相對容易，反應(yīng)溫度易于控制