综述：超分子化学助力石化产业转型

《MECHANICAL SYSTEMS AND SIGNAL PROCESSING》：Supramolecular chemistry meets petrochemical industry transformation

石油化工传统工艺依赖共价键断裂与重组，面临高能耗、污染大等问题。超分子化学通过非共价相互作用实现分子精准调控，在原油分离、智能催化和功能材料制备中展现突破性潜力，推动行业向绿色高效可持续方向转型。

　　

李铁军|杨平|韩家宝|黄卫国|刘峰

中国石油化工股份有限公司石油加工研究院，北京100083

摘要

作为现代工业的命脉，传统石油化工行业长期以来一直依赖于强大的共价键化学。其精炼和加工过程是通过打破和重组碳氢化合物分子中的共价键来实现的。这些过程成功地产生了多种产品，如汽油、柴油、煤油、蜡油以及一系列关键的化学中间体（乙烯和丙烯），用于生产合成纤维和塑料。所有这些产品在国家经济发展和人们的日常生活中都发挥着不可或缺的作用。然而，这一传统工艺面临着诸多挑战，如高能耗、低选择性、高污染以及对不可再生原材料的深度依赖。随着石油化工行业对可持续转型的追求，超分子化学为设计未来的石化产品提供了“灵活”的解决方案。它通过非共价相互作用提供了独特的操控策略。超分子化学的引入标志着从传统的“断裂共价键”方法向新兴的“智能调节非共价键”策略的范式转变。这种跨学科整合深刻重构了石油化工行业的本质和设计策略，使其能够向智能化的未来转型。在这篇综述中，我们总结了这一新兴跨学科领域在分离、催化和材料方面的最新进展，并探讨了进一步整合和创新的路径。我们还讨论了实际应用中面临的持续挑战和工业可行性。我们相信，石油化工行业与超分子化学之间的“交流”可能会为传统石油精炼行业带来巨大的发展潜力。

引言

作为现代工业文明的基石，传统石油化工行业长期以来一直保障着全球能源供应[[1], [2], [3], [4]]，并为生产塑料[[8], [9], [10]]、纤维[11]和其他关键材料[[12], [13], [14]]提供了必要的化学原料[[5], [6], [7]]。石油化工行业主要依赖于热处理和催化过程，这些过程涉及碳氢化合物分子内强共价键的断裂和重组[[15], [16], [17], [18], [19]]。通过精确地断裂和重组共价键，我们可以方便高效地从原油中分离出汽油、柴油、煤油和蜡油等不同能源组分。此外，它还能生产出乙烯和丙烯等基本化学产品，从而在基础化学品与各种高价值合成材料之间架起桥梁[[20], [21], [22]]。最终，石油化工产品为国家经济发展和人们的日常生活奠定了重要基础[[23]]。然而，传统的石油精炼过程伴随着一些挑战，包括极高的能耗、低生产选择性、高分离成本、大量的碳排放以及日益增加的环境压力[[24], [25], [26], [27]]。这些固有的瓶颈严重阻碍了石油化工行业的可持续发展[[28], [29], [30]]。此外，全球双碳目标和新能源技术的快速发展也给石油化工行业带来了额外的不确定性。因此，传统石油化工行业正处于一个十字路口，迫切需要创新以克服上述所有挑战[[31], [32], [33], [34]]。

近年来，超分子化学引起了广泛关注[[35], [36], [37], [38], [39], [40], [41]]。超分子化学的概念是由诺贝尔化学奖得主让-马里·莱恩（Jean-Marie Lehn）提出的[[42]]。它迅速发展并与物理学[[43], [44], [45], [46]]、材料科学[[46], [47], [48], [49], [50]]、信息学[51,52]、光子学[53]以及生命科学[[54], [55], [56], [57], [58], [59]]等多个研究领域深度整合。超分子化学在分子科学领域开辟了开创性的研究，并取得了一系列科学成果[[60], [61], [62], [63]]。将超分子化学整合到石油精炼过程中，无疑将建立一个革命性的全新研究领域[[64], [65], [66], [67], [68], [69]]。

在这里，我们系统总结了这一跨学科领域中超分子大环和笼状结构的最新进展。此外，我们还讨论了超分子策略在克服传统石油化工过程固有瓶颈方面的潜在变革作用。超分子系统提供的受限环境是一种理想的纳米反应器，它结合了空间限制、化学微环境隔离和分子运动控制功能。它能够精确控制反应的过渡状态和反应路径。非共价相互作用的动态可逆性和构象模块化赋予了超分子系统灵活的智能性。通过设计智能的超分子系统，我们期望能够在温和条件下实现原油混合物的低能耗分离，模拟酶催化作用以精确控制催化反应路径，甚至创造下一代多功能化学材料。超分子化学将深刻重塑传统石油化工行业，引领其走向更绿色、更高效和可持续的未来。

章节摘录

从超分子化学的角度对石油化工行业的研究进行分类

超分子化学在整个石油化工行业中展现出了巨大的潜力，从上游提取到下游加工（图1、图2）。在上游提取和运输过程中，具有特定功能的超分子大环可以实现目标产品的选择性吸附和分离，且能耗较低。这种分离过程的选择性和效率远超传统的蒸馏技术

结论

这篇综述系统总结了超分子化学与石油化工这一跨学科领域的最新进展，重点关注吸附分离、超分子催化和功能材料。超分子化学利用各种可编辑的非共价相互作用（包括主客体识别、氢键作用和静电作用）来指导精确的自组装过程。

总结与展望

超分子化学为解决复杂的石油化工过程中的持续挑战提供了一个变革性平台。通过动态自组装和分子识别，超分子策略将为开发下一代智能催化剂带来新的思路，从而推动石油化工行业走向精准、绿色和可持续的未来。超分子化学策略在石油化工领域展现了显著的应用可行性

作者贡献声明

李铁军：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、概念构思。杨平：撰写——审稿与编辑。韩家宝：撰写——审稿与编辑。黄卫国：撰写——审稿与编辑、可视化、验证。刘峰：撰写——审稿与编辑、可视化、监督。