【微反应器内进行连续化合成的研究进展文献综述2900字】

-PAGE44--PAGE43-微反应器内进行连续化合成的研究进展文献综述1.1微反应器简介微反应器一般是指通过微加工和精密加工技术制造的小型反应器，其为微化工技术的核心部件之一。微通道的特征尺寸为10～500μm，比常规的釜式反应器小很多，但远远大于分子水平。因此，微反应器不会改变反应的机理和反应的内在动力学特性。微反应器是一类新型的反应设备，与传统的反应器相比具有很大的优势，顺应了高技术含量和可持续发展的要求，其特性包括：（1）比表面积大，换热效率和混合效率高；（2）数量放大，减小放大效应；（3）可高度集成；（4）精确控制反应时间；（5）提高反应过程的安全性；（6）过程环保绿色等。微反应器通过将扩散控制转变为动力学控制，可以有效地减短反应时间，其很好的传热效果可以对反应过程的温度进行较为精确的调控，所以它可以实现传递过程的强化及提高反应过程的安全性、可控性。目前,在化学化工、材料、生物等诸多领域的研究和生产过程中，微反应器都有着广泛的应用，这其中一大部分涉及到了危险或不稳定物质的合成过程及高放热反应过程，如硝化反应、氧化反应、氟化反应、重氮化反应、重氮环化反应、偶合反应、过氧化反应等。1.2微反应器内进行连续重氮化反应的研究进展芳香族伯胺与亚硝酸作用生成重氮盐的反应称为重氮化反应，其中重氮组分为芳香族伯胺，重氮化试剂为亚硝酸。反应中常用亚硝酸钠和盐酸或者硫酸反应生成亚硝酸，亚硝酸与芳伯胺立即反应生成重氮盐，避免因亚硝酸分解导致产率下降。在许多化学反应中，重氮化反应都是一个重要的中间步骤，如Sandmeyer反应、Gomberg-Bachmann反应、Balz-Schiemann反应、Meerweinarylation反应、Suzuki-coupling反应等，这些反应的产物在精细化工和药物合成中都有着广泛而且重要的应用。最早在微反应器内进行重氮化反应的是deMello等。2002年，他们使用微反应器进行重氮盐及偶氮染料的连续化合成，反应流程图如图1-2所示。以苯胺为重氮组分，在酸性介质中与亚硝酸钠进行重氮化反应，然后生成的苯胺重氮盐再与β-萘酚进行偶合反应，最终生成偶氮染料（苏丹I）。最终得到偶氮染料转化率约为52%。重氮化试剂亚硝酸钠需要溶解在水与二甲基甲酰胺混合溶液中，以防止反应过程中产物堵塞微通道及重氮盐的分解。虽然deMello等合成偶氮染料的转化率并不高，但是他们为重氮化反应及偶合反应连续化提供了很好的思路。在上述研究中作者提到，由于没有对重氮化反应过程进行优化，所以反应过程中生成交叉偶联副产物，导致了反应产率的变化。为了减小副反应的发生，deMello等在新的研究中将重氮化试剂换成有机相中的亚硝酸异戊酯，优化了反应条件后，在微反应器中进行Sandmeyer反应，得到三种氯化芳烃，产率在55%～70%，比在传统釜式反应器合成产率提高20%。图1-2微反应器内连续合成偶氮染料流程Yu等提出在微反应器内进行Balz-Schiemann反应的连续化合成，主要分为两步反应，首先是芳香胺的重氮化反应生成四氟硼酸盐，然后四氟硼酸盐热分解得到芳香族氟化物。结果表明，在微反应器内进行此反应的芳基氟化物的产率在72%～95%，与间歇釜式反应器中合成相比有了较大提高。Wirth等在微反应器中利用分段流的操作条件来进行Heck反应的强化，反应方程式如图1-3所示。作者利用与反应混合溶液不相溶的液体对微通道中的反应液进行分段，使反应液形成分段流，以此加强每段反应液间的混合以增强反应速率。如图1-4所示，苯胺类反应物溶液在与重氮化试剂亚硝酸叔丁酯混合之前利用正己烷进行分段，形成分段流，分段流形成示意图见图1-5。然后再与重氮化试剂作用，在第一部分盘管中（section1）合成芳烃重氮化乙酸盐。在加入烯烃和醋酸钯之后，第二部分盘管中（section2）发生Heck-Matsuda偶合反应，在环境温度下只需停留27min就可以合成苯乙烯类化合物。图1-3Heck-Matsuda反应方程式图1-4Heck-Matsuda偶合连续化反应流程图1-5分段流形成示意图Yu等研究了一种连续重氮化水解反应的工艺来合成对甲基苯酚，该反应工艺流程以对甲基苯胺重氮化反应开始，在20℃下形成对甲基苯胺重氮盐，接着重氮化反应被尿素淬灭，最后在130℃下发生水解反应生成对甲氧基苯酚，产物经20℃下冷却后收集。作者发现反应过程中会产生3种副产物，在对反应过程进行纯化分析后重新对反应过程进行优化，结果副产物基本消失，总产率可达到91%，产量可以达到388g/h。在间歇釜式反应器中苯酚产率为75%～80%，连续化合成过程与其相比产率有了较大的提高，反应流程如图1-5所示。图1-6重氮盐水解制苯酚连续化反应流程迄今为止，虽然文献中可以使用连续化技术实现重氮化反应，但基本上以可溶性胺为主，而且系统流量基本以实验室规模的小流量为主，不易于在工业上扩大生产规模。然而，微溶性芳香胺的重氮化反应也常见于精细化工的生产中。但是，由于存在容易堵塞等问题目前研究较少，尚未应用于生产。1.3微反应器内进行连续偶合反应的研究进展2002年，deMello等以芳伯胺为重氮组分，β-萘酚为偶合组分，首次利用微反应器在室温下进行了偶氮染料的连续化合成，展现出微反应器在涉及不稳定中间体的连续化合成中的安全性。2005年，Pennemann等利用微反应器强化了重氮液与偶合组分的混合过程，制备的颜料黄12与商品化样品相比，其光泽度提高了73%，透明度提高了66%。梁栋等设计了一种缩放螺旋混合器，应用于水溶性偶氮染料活性黑KN-B的连续化合成，产率达到95.5%；然而将反应器的细管内径放大至6.5mm时，收率下降至56.7%。2016年，Akwi等研究了苏丹Ⅱ偶氮染料在微反应器内的连续化合成方法，确定了最佳偶合反应温度、pH及流速；同年又研究了非水溶性的偶合组分的连续偶合反应，收率达到99%以上。2017年，杨林涛等利用微通道反应器分别实现了溶液、乳化液、悬浮液等不同状态芳胺的连续重氮化反应以及连续偶合反应，颜料产品的收率达到98%以上，着色力略高，色光相近。2018年，王法军等利用微反应器在60mL/min的物料流量下连续化合成了几种水溶性偶氮染料产品，实现了重氮化与偶合反应的两级连续化合成。关于利用微反应器进行偶氮颜料及染料的连续化合成的报道近年来不断涌现，但是多以结构简单的可溶性染料为研究模型，且运行规模基本以小流量（<5L/h）为主。在课题组之前的研究工作中，设计了一种管状微型混合器，并成功应用于微溶性芳胺的高流量（50L/h）连续重氮化反应以及颜料黄12的连续化合成。1.4微反应器内进行连续其他反应的研究进展硝化反应的反应速度极快，反应过程放热量大，并且多数为非均相反应，传统的间歇生产方式存在传质传热效果差的问题，容易造成热量累积，从而生成多硝基物等副产物，发生燃烧甚至爆炸的危险现象。2012年，孟明扬等指出传统的H酸合成工艺中存在的问题，发现精萘连续硝化反应是制备H酸的发展趋势。2014年，汪欢分别在常规反应器和微玻璃反应器中研究了邻二甲苯的硝化反应，通过对反应物用量、反应时间、反应温度等因素的考察，得到了在微反应器内邻二甲苯的最优硝化的工艺条件。其中常规反应器中甲苯的转化率达到70%时所需要的时间是微反应器的二百倍，反应效率大大提高了。还原反应是精细有机合