連續(xù)微反應(yīng)加氫技術(shù)在有機(jī)合成中的應(yīng)用

姜友林 許曉春

摘要：在微反應(yīng)連續(xù)加氫技術(shù)應(yīng)用過程中，能夠讓有機(jī)合成中氣液固相界面接觸面積增加，并促使傳質(zhì)過程被強(qiáng)化，保證催化劑得到最大限度的利用。微反應(yīng)連續(xù)加氫優(yōu)勢較多，可以有效減少加氫反應(yīng)時間和反應(yīng)器體積，因此在很多領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。本文先概述了連續(xù)流加氫反應(yīng)器，并探討了連續(xù)微反應(yīng)加氫技術(shù)在有機(jī)合成中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：連續(xù)微反應(yīng)加氫技術(shù);有機(jī)合成

在有機(jī)合成中經(jīng)常遇到加氫反應(yīng)，這種反應(yīng)類型若是選用間歇加氫釜，則無法保證反應(yīng)的效率，操作也非常繁瑣，存在一定的安全隱患?，F(xiàn)在借助連續(xù)加氫微反應(yīng)器，以非均相催化加氫反應(yīng)方式進(jìn)行，可以有效提高傳質(zhì)性能，為催化劑回收利用和產(chǎn)物純化帶來了便利。該技術(shù)可以保證較高的生產(chǎn)效率，有效降低貴金屬催化劑損失，因而研究與應(yīng)用價值巨大。

1.連續(xù)流加氫反應(yīng)器概述

1.1連續(xù)流加氫反應(yīng)器特點

對連續(xù)加氫反應(yīng)來說，一般是把固體催化劑在反應(yīng)器中進(jìn)行固定，讓氣液混合物持續(xù)不間斷通過反應(yīng)器，保證與催化劑接觸更加充分，這樣不僅反應(yīng)速率將實現(xiàn)提升，催化劑回收也更加簡單。因為催化劑固定形式存在差異，主要包括填充式微反應(yīng)和壁載式微反應(yīng)器等類型。此外，還可以將催化劑粉末懸浮在加氫底物中形成液體漿料，液體漿料與氫氣混合通過微反應(yīng)器后完成加氫過程，這種漿料式微反應(yīng)器也是應(yīng)用較多的一種連續(xù)流反應(yīng)器。

1.2常見連續(xù)流加強(qiáng)反應(yīng)器類型

對填充式微反應(yīng)器來說，通過填充顆粒催化劑后進(jìn)行固定，能夠?qū)崿F(xiàn)非均相催化加氫反應(yīng)。這種類型的反應(yīng)器入口位置一般設(shè)置了氣液混合裝置，利用泵送氣液混合物流過固定催化劑的方法，為氣液固三相接觸創(chuàng)造條件，傳質(zhì)過程將得到強(qiáng)化，非均相反應(yīng)的反應(yīng)速率將得到強(qiáng)化。這種方法是有機(jī)合成中常用的技術(shù)路線，催化劑固定簡單，也便于更換，有利于操作。此外，因為相流比較復(fù)雜，存在壓降大、放大困難等情況。在溫度控制過程中，能夠讓裝置在高壓條件下順利運行，反應(yīng)器材質(zhì)為不銹鋼。

對壁載式微反應(yīng)器來說，催化劑利用壁載的形式在反應(yīng)器內(nèi)壁進(jìn)行固定，氣液混合物流過反應(yīng)器內(nèi)部，與催化劑接觸完成加氫反應(yīng)。這種方法具有流動簡單、壓降小以及易于放大等優(yōu)點，同時需要解決單位體積催化劑濃度不高，且催化劑失活后無法更換等困難?？梢岳媒饘俅呋瘎┓勰?，采取壁載的方式負(fù)載在玻璃板上，制成加氫反應(yīng)器，能夠提高氣液固三相傳質(zhì)效果。當(dāng)停留時間為2min和處于室溫反應(yīng)環(huán)境中，借助Pd催化劑能夠完成碳碳雙鍵與碳碳三鍵的高效選擇加氫，收率將達(dá)到97%。這種裝置的缺點是金屬催化劑極易流失，將催化劑壁載在氣相色譜毛細(xì)管中，有利于解決上述問題，同時可以增加毛細(xì)管柱數(shù)量，能夠達(dá)到生產(chǎn)放大的目的。還可以通過金屬3D打印的方式，建立復(fù)雜靜態(tài)混合器，并在靜態(tài)混合器表面負(fù)載貴金屬催化劑，反應(yīng)器中單位體積催化劑濃度將實現(xiàn)提升，并獲得更好的加氫效果。

2.連續(xù)微反應(yīng)加氫技術(shù)在有機(jī)合成中的具體應(yīng)用

2.1烯烴加氫

烯烴類物質(zhì)加氫實現(xiàn)較易，是一種有著重要意義的反映類型，高效且高選擇性的烯烴催化加氫價值極大。當(dāng)前在烯烴加氫反應(yīng)過程中，經(jīng)常用到連續(xù)流反應(yīng)器，這是因為環(huán)己烯結(jié)構(gòu)很簡單，是這類加氫反應(yīng)的底物。特別是通過壁載毛細(xì)管反應(yīng)器解決三相傳質(zhì)阻力后，將Pd/Al2O3用于催化劑，可以提高環(huán)己烯加氫反應(yīng)的速率，停留時間最多為12s，且收率為99%。此外，在使用連續(xù)流反應(yīng)器的過程中，如果催化劑選用Pd/TiO2，在進(jìn)行催化加氫環(huán)己烯的過程中，也能獲得相似結(jié)果，單位活性在單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)化的反應(yīng)物的量（TOF）為1131h-1。

2.2醛類物質(zhì)氫化

通過還原醛類化合物獲得目標(biāo)醇，這種方法被廣泛用于化學(xué)化工領(lǐng)域，在酮基等其他還原性基團(tuán)存在的基礎(chǔ)上，對醛基采取選擇性還原方式，是當(dāng)前研究的重點內(nèi)容[1]。在微填充床反應(yīng)器內(nèi)填充制備的負(fù)載在兩親性樹脂上的ARP-Pt催化劑，在22s的停留時間內(nèi)，能夠完成對多種含酮基的醛類化合物的高選擇性加氫。在肉桂醛的選擇性催化加氫中，設(shè)計壁載有190mg12%（質(zhì)量）Pt/SiO2催化劑涂層的連續(xù)流反應(yīng)器，能夠避免形成氫化肉桂醛和氫化肉桂醇，并定向獲得所需的肉桂醇。這樣不僅能夠保證轉(zhuǎn)化率達(dá)到98.8%，也具有超過90%的選擇性。與間歇式反應(yīng)器不同，當(dāng)溫度壓力、催化劑用量一樣的條件下，工作時間超過110h后，發(fā)揮這種壁載型反應(yīng)器的作用，與間歇式反應(yīng)器相比，其肉桂醇產(chǎn)量將提高7.5倍，可見在醇類物質(zhì)選擇性加氫方面，連續(xù)流反應(yīng)器應(yīng)用優(yōu)勢巨大。

2.3硝基加氫

在藥物、除草劑和塑料工業(yè)等領(lǐng)域，功能化苯胺類物質(zhì)屬于常見的中間體，一般通過硝基化合物直接加氫獲得。若是有其他還原性官能團(tuán)，如何快速并高選擇性的還原硝基，研究價值極大，而借助連續(xù)流加氫裝置，將在硝基快速氫化方面表現(xiàn)出加大優(yōu)勢。以H-Cube反應(yīng)器為例，常壓下通過雷尼鎳催化劑能夠完成具有多種N-Bn結(jié)構(gòu)的硝基吡咯烷的加氫，將達(dá)到至少90%的選擇性[2]。此外，通過Pd/C催化劑能夠?qū)ο趸M(jìn)行連續(xù)加氫，可以得到抗腫瘤藥物的前體藥物，將獲得81%的選擇性。對H-Cube反應(yīng)器來說，能夠在硝基類物質(zhì)2分鐘停留時間內(nèi)快速氫化，可見該反應(yīng)器在硝基加氫中反應(yīng)速率較高，優(yōu)勢也很明顯。

3.結(jié)語

總之，利用連續(xù)加氫反應(yīng)器，可以增加氣液固三相接觸面積，減少了傳質(zhì)距離，能夠第一時間將系統(tǒng)的產(chǎn)物移除，防止加氫存在過度現(xiàn)象后形成其他的副產(chǎn)物。相比于間歇式反應(yīng)器，連續(xù)加氫反應(yīng)器的加氫性能更好。在應(yīng)用連續(xù)加氫技術(shù)的過程中，對所用固體催化劑與H2為氫供體而言，并非均相催化，有利于回收利用催化劑，為產(chǎn)物提純分離創(chuàng)造有利條件，能夠滿足綠色化學(xué)的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]婁鋒炎，尹佳濱，段笑南，王祁寧，艾寧，張吉松.連續(xù)微反應(yīng)加氫技術(shù)在脫保護(hù)反應(yīng)中的應(yīng)用[J].化工學(xué)報，2021，72（02）：761-771.

[2]屠佳成，桑樂，艾寧，徐建鴻，張吉松.連續(xù)微反應(yīng)加氫技術(shù)在有機(jī)合成中的研究進(jìn)展[J].化工學(xué)報，2019，70（10）：3859-3868.