微反應(yīng)器內(nèi)的有機合成前沿進(jìn)展

張經(jīng)緯，周弋惟，陳卓，徐建鴻

（清華大學(xué)化學(xué)工程系，化學(xué)工程聯(lián)合國家重點實驗室，北京 100084）

引 言

化學(xué)工業(yè)是我國的經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)之一，但因為其“高污染、高能耗、高物耗”等問題仍面臨著發(fā)展與污染的矛盾。在實現(xiàn)“碳達(dá)峰，碳中和”雙碳目標(biāo)的大背景下，迫切需要開發(fā)新工藝、新方法、新技術(shù)以降低化工過程中的能耗物耗從而實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。化工過程強化技術(shù)具有節(jié)能環(huán)保、低能耗、集約化的優(yōu)勢，是解決這一問題的重要手段。過程強化包括設(shè)備強化和方法強化，典型的強化方式包括設(shè)備小型化和過程集約化等。其中，出現(xiàn)于20 世紀(jì)90 年代的微化工技術(shù)兼具這兩方面的特點[1]。與傳統(tǒng)化工技術(shù)相比，微化工技術(shù)利用微尺度下獨特的流動與傳質(zhì)特性，強化傳質(zhì)傳熱性能，提高反應(yīng)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，保證化工過程的安全性，具有廣闊的應(yīng)用前景[2-5]。

微反應(yīng)器技術(shù)高效的微尺度混合特性、良好的傳質(zhì)和傳熱性能和本質(zhì)安全的特點決定了其特別適用于因反應(yīng)速度快或者放熱量大而有危險性的化學(xué)反應(yīng)，如重氮化反應(yīng)[6]、加氫反應(yīng)[7-9]、硝化反應(yīng)[10-11]等。因此，對于醫(yī)藥、農(nóng)藥、染顏料等精細(xì)化工領(lǐng)域涉及的霍夫曼重排、環(huán)加成、重氮化和偶合、烷基化、氮氧化等典型“強放熱快反應(yīng)”過程，采用微反應(yīng)連續(xù)化工藝可將反應(yīng)產(chǎn)生的熱量迅速移除，有效避免局部過熱，減少副反應(yīng)的發(fā)生，更能夠防止由于熱量積聚而產(chǎn)生飛溫現(xiàn)象，降低反應(yīng)失控風(fēng)險，有望實現(xiàn)生產(chǎn)過程的高效、綠色和安全。本文將重點介紹近年來有關(guān)上述幾類反應(yīng)在條件優(yōu)化和過程強化方面的最新研究進(jìn)展，并展望其發(fā)展前景。

1 霍夫曼重排反應(yīng)

霍夫曼重排反應(yīng)于1881 年由德國著名化學(xué)家Hofmann[12]發(fā)現(xiàn)，該反應(yīng)通常是指伯酰胺在鹵素和堿作用下發(fā)生重排，經(jīng)異氰酸中間體生成比反應(yīng)物少一個碳的伯胺的反應(yīng)。該反應(yīng)是制備許多醫(yī)藥中間體的關(guān)鍵反應(yīng)，具有重要的研究價值[13-15]。此外，霍夫曼重排反應(yīng)也可以用來制備各種氨基功能材料[16-17]，這些材料在醫(yī)藥、吸附、催化等眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

目前工業(yè)生產(chǎn)中霍夫曼重排反應(yīng)的反應(yīng)設(shè)備主要是釜式反應(yīng)器。采用釜式反應(yīng)工藝時，考慮到鹵素試劑的高活性和強腐蝕性，通常采用兩段工藝保證反應(yīng)過程的安全進(jìn)行。其中,第一階段是低溫反應(yīng)，目的是將原料伯酰胺通過鹵化反應(yīng)轉(zhuǎn)化成異氰酸酯中間體。第二階段是高溫反應(yīng)，是使異氰酸酯中間體轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)物。工業(yè)生產(chǎn)常用工藝雖然可以獲得較高的產(chǎn)率，但仍存在如下問題[18-19]。第一，反應(yīng)耗時長，生產(chǎn)效率低。第一階段的低溫反應(yīng)過程雖然能有效防止由于鹵素試劑的高活性而帶來的危險，但導(dǎo)致反應(yīng)時間過長，生產(chǎn)周期大大增加，生產(chǎn)效率不理想。第二，高能耗，高物耗。由于釜式反應(yīng)器的換熱能力有限，反應(yīng)過程中需要大量的冷卻水，導(dǎo)致了能耗的提高；長時間低溫反應(yīng)也會使反應(yīng)的選擇性降低，副產(chǎn)物增多，產(chǎn)生廢水增加，導(dǎo)致物耗提高。第三，反應(yīng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性差，安全風(fēng)險高。盡管兩步法工藝流程降低了生產(chǎn)過程的危險性，但反應(yīng)釜較差的換熱性能仍然導(dǎo)致整個系統(tǒng)的魯棒性差，一旦物料或反應(yīng)條件出現(xiàn)偏差，極可能導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降，甚至出現(xiàn)爆炸危險。

微反應(yīng)器技術(shù)可有效解決上述三個問題并展現(xiàn)出高效性和穩(wěn)定性兩大突出優(yōu)勢。微反應(yīng)器的換熱性能與傳統(tǒng)釜式反應(yīng)器相比高1～2 個數(shù)量級，在換熱方面的顯著優(yōu)勢允許采用一步法工藝完成整個霍夫曼重排過程，減少了反應(yīng)步驟，縮短了反應(yīng)周期，具有高效性的優(yōu)勢。其次，微尺度下的連續(xù)流動過程對傳質(zhì)和混合效果有明顯強化，能夠大幅增加工藝的穩(wěn)定性。目前，微反應(yīng)器技術(shù)應(yīng)用于霍夫曼重排過程已有許多研究進(jìn)展。如圖1 所示，Huang 等[20]以環(huán)丙甲酰胺(CPCA)、NaClO 和NaOH 為原料，連續(xù)高效合成了環(huán)丙胺(CPA)，通過優(yōu)化反應(yīng)溫度和停留時間，產(chǎn)率可達(dá)到95%～96%，反應(yīng)時間僅需4 min，縮短為釜式工藝的1/30。

圖1 制備環(huán)丙胺的微反應(yīng)實驗裝置示意圖[20]Fig.1 Schematic diagram of a microreaction experimental apparatus for the preparation of cyclopropane[20]

加巴噴丁是一種由霍夫曼重排反應(yīng)合成的常用抗癲癇藥物，其經(jīng)典的合成工藝為低溫取代—高溫重排的兩步法工藝。由于低溫取代過程是強放熱過程，反應(yīng)溫度往往低于0℃以確保過程的安全性，反應(yīng)時間較長。Huang 等[21]借助微反應(yīng)器，利用1,1-環(huán)己基二乙酸單酰胺(CDMA)、NaClO 和NaOH為原料，合成了抗癲癇藥物加巴噴丁，微反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。他們系統(tǒng)研究了物料濃度、反應(yīng)溫度和停留時間等關(guān)鍵因素對反應(yīng)過程的影響規(guī)律并對反應(yīng)條件進(jìn)行了優(yōu)化，在停留時間為400 s、反應(yīng)溫度為45℃時，產(chǎn)率可達(dá)到97%。該工藝流程利用微反應(yīng)的強換熱性能保障了高溫下取代反應(yīng)的安全高效進(jìn)行，實現(xiàn)了加巴噴丁的高效安全制備。目前也有研究者使用微反應(yīng)器平臺探索新的鹵化劑在霍夫曼重排反應(yīng)中的應(yīng)用，Gambacorta 等[22]以三氟異氰尿酸（TCCA）為鹵化劑與水楊酰胺反應(yīng)連續(xù)合成2-苯并唑啉酮，當(dāng)反應(yīng)溫度為22℃，停留時間為0.5 min 時，就可以得到99.5%的轉(zhuǎn)化率和97.6%的主產(chǎn)物收率。TCCA 是一種超高反應(yīng)活性的鹵化劑，一旦反應(yīng)中出現(xiàn)局部過熱的情況，就會導(dǎo)致烷基段發(fā)生取代副反應(yīng)，影響選擇性。在這一過程中，微反應(yīng)器的高效傳熱保障了反應(yīng)環(huán)境中溫度均勻分布，實現(xiàn)了高轉(zhuǎn)化率和高收率的優(yōu)化結(jié)果。微反應(yīng)連續(xù)合成新工藝不但可以大大提高霍夫曼重排反應(yīng)的效率，大幅縮短反應(yīng)周期，提高安全性和生產(chǎn)效率，同時也可以用于安全高效探索新的反應(yīng)體系，尤其是高反應(yīng)活性的反應(yīng)體系。

圖2 (a)制備加巴噴丁的微反應(yīng)實驗裝置示意圖；(b)合成反應(yīng)方程；(c)微通道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖[21]Fig.2 (a)Schematic diagram of the microreaction reaction experimental setup for the preparation of Gapentin;(b)Synthesis equation;(c)Schematic diagram of the internal structure of the microchannel[21]

2 環(huán)加成反應(yīng)

為了實現(xiàn)雙碳目標(biāo)中碳排放量凈值降低的目標(biāo)，除了減少CO2的排放量，CO2化學(xué)轉(zhuǎn)化制備精細(xì)化學(xué)品也是重要的研究方向之一。CO2可轉(zhuǎn)化為各種高附加值產(chǎn)品，包括環(huán)狀碳酸酯[23]、唑烷[24]、甲醇[25]等。其中，利用CO2與環(huán)氧化合物加成由于其100%的原子經(jīng)濟性而成為重要的研究方向之一[26]。其產(chǎn)物環(huán)狀碳酸酯可應(yīng)用于非質(zhì)子極性溶劑、二次電池電解質(zhì)、合成某些化學(xué)品的中間體和聚合物的前體等領(lǐng)域[27]。

環(huán)加成反應(yīng)具有綠色環(huán)保，產(chǎn)品附加值高的優(yōu)點，然而其反應(yīng)工藝流程的設(shè)計尚存在困難。首先，環(huán)加成反應(yīng)的控制步驟為CO2在液相催化劑中（常常為離子液體）的氣-液傳質(zhì)過程，這一過程需要較高的氣體壓力，在傳統(tǒng)釜式反應(yīng)器中進(jìn)行緩慢，因此反應(yīng)效率低，耗時長，且由于壓力過高存在安全隱患[28]。其次，由于離子液體具有高催化活性，一旦在反應(yīng)器內(nèi)混合不均勻?qū)?dǎo)致局部過熱，進(jìn)而可能造成環(huán)氧基中間體發(fā)生爆炸，面臨嚴(yán)重的安全風(fēng)險。微反應(yīng)器作為合成平臺，在環(huán)加成反應(yīng)過程中有獨特的優(yōu)勢。第一，微反應(yīng)器內(nèi)的氣-液相間傳質(zhì)速度高出傳統(tǒng)釜式反應(yīng)設(shè)備一個數(shù)量級以上[29]，能夠有效解決反應(yīng)速度受氣-液傳質(zhì)控制的問題。第二，微反應(yīng)器優(yōu)異的混合和傳熱性能可及時移走反應(yīng)熱，避免產(chǎn)生局部過熱的現(xiàn)象，加快反應(yīng)速度，縮短反應(yīng)周期[30]。

基于上述優(yōu)點，本課題組[31]采用微反應(yīng)器技術(shù)以綠色無污染的非金屬基離子液體催化劑對環(huán)氧丙烷和CO2的環(huán)加成過程進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，重點優(yōu)化了反應(yīng)條件并揭示了反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律。Wu等[32]以微反應(yīng)器為反應(yīng)平臺，以離子液體為催化劑將環(huán)氧丙烷與CO2反應(yīng)合成碳酸丙烯酯，反應(yīng)過程和設(shè)備示意圖如圖3 所示。通過調(diào)控相比、溫度和壓力等反應(yīng)條件，在僅40 s的停留時間條件下，碳酸丙烯酯收率達(dá)到98%以上。而使用類似催化劑的釜式反應(yīng)工藝中，需要6 h 的反應(yīng)時間才能達(dá)到90.7%的產(chǎn)率[33]。此工作證明了微反應(yīng)器技術(shù)可大幅縮短碳酸丙烯酯合成的反應(yīng)周期，提升反應(yīng)效率，減少副反應(yīng)。

圖3 制備碳酸丙烯酯的微反應(yīng)實驗裝置示意圖[32]Fig.3 Schematic diagram of the microreaction experimental setup for preparation of propylene carbonate[32]

微反應(yīng)系統(tǒng)也可以用來揭示CO2環(huán)加成反應(yīng)的動力學(xué)規(guī)律。Wu 等[34]利用微反應(yīng)器平臺對上述反應(yīng)的動力學(xué)規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，揭示了可能的反應(yīng)機理，并指出該反應(yīng)速率與環(huán)氧丙烷濃度、CO2相對濃度和催化劑的濃度均為線性關(guān)系，得到了表觀動力學(xué)方程。此研究結(jié)果可以用來指導(dǎo)微反應(yīng)器中環(huán)加成反應(yīng)的反應(yīng)條件優(yōu)化，反應(yīng)機理如圖4所示。也有研究者利用微反應(yīng)器為平臺，探索了新的CO2環(huán)加成反應(yīng)催化劑的催化效果。Li 等[35]合成了一種以納米二氧化硅為載體無鹵素的離子液體催化劑，用微反應(yīng)器平臺測量了其催化效果并研究了催化動力學(xué)。該工作中，微反應(yīng)器的重要作用是以其高傳質(zhì)性能盡量消除外擴散對于催化效果的影響，測量催化過程的本征動力學(xué)。從上述研究工作可以看出，微反應(yīng)器由于其高傳質(zhì)傳熱性能，對于CO2環(huán)加成一類的氣-液多相反應(yīng)過程具有良好的適應(yīng)性，在反應(yīng)條件優(yōu)化，反應(yīng)機理探索和新反應(yīng)過程的設(shè)計方面均有獨到的優(yōu)勢。

圖4 由[bmim]Br催化的CO2環(huán)加成的可能機理[34]Fig.4 The possible mechanism for the cycloaddition of CO2 catalyzed by[bmim]Br[34]

3 重氮化反應(yīng)與重氮偶合反應(yīng)

偶氮化合物已被用于許多領(lǐng)域，如材料[36]、繪畫[37]、生物制藥研究[38-39]、化妝品[40]和油墨工業(yè)[41]等。目前合成偶氮化合物的主要工藝是重氮化-重氮偶合串聯(lián)反應(yīng)。重氮化反應(yīng)是指芳香族伯胺與亞硝酸作用生成重氮鹽。重氮化反應(yīng)應(yīng)用廣泛的原因是重氮化反應(yīng)合成的重氮鹽中間體反應(yīng)活性較高，可以在不同的反應(yīng)條件下繼續(xù)合成其他化合物。例如，重氮鹽中間體可以進(jìn)行水解生成酚類化合物，可以被親核試劑攻擊合成偶氮化合物[42]，也可以與鹵素原子發(fā)生取代生成芳香族氯化物[43]、芳香族氟化物[44]、芳香族碘化物[45]等。而重氮鹽生成偶氮化合物的重氮偶合反應(yīng)，則是指重氮鹽進(jìn)一步與芳胺、酚類發(fā)生氮氮間的偶聯(lián)產(chǎn)生氮氮雙鍵[46-47]。目前，重氮化/重氮偶合反應(yīng)的反應(yīng)器還是以反應(yīng)釜為主。重氮鹽中間體因其活潑性而用途廣泛，但同樣由于其活潑性，重氮鹽具有熱不穩(wěn)定和沖擊敏感的特點，當(dāng)溫度升高時可能會導(dǎo)致重氮化/偶合反應(yīng)失控出現(xiàn)爆炸等危險情況[48]。因此，出于安全考慮，無論是生成重氮鹽的重氮化反應(yīng)還是以重氮鹽為反應(yīng)物的重氮偶合反應(yīng)，反應(yīng)過程的穩(wěn)定可控都相當(dāng)重要。

強換熱能力和高穩(wěn)定性的微反應(yīng)平臺為解決上述安全問題和開發(fā)重氮化/重氮偶合反應(yīng)新工藝提供了契機。在重氮化/重氮偶合反應(yīng)中引入微反應(yīng)器作為反應(yīng)設(shè)備，既可以降低由于傳熱性能不足導(dǎo)致的潛在風(fēng)險，又能通過強化混合效果帶來更好的產(chǎn)品性能。目前，已經(jīng)有研究者針對微反應(yīng)器內(nèi)的多類重氮化/重氮偶合反應(yīng)進(jìn)行了研究[49]。

顏料紅146 是一種典型的水性偶氮顏料，被廣泛用于印刷色漿、水性涂料和油墨顏料[50-51]。Wang等[52]以3-氨基-苯胺（KD）和N-(4-氯-2,5-二甲氧基苯基)-3-羥基-2-萘酰胺（AS-LC）為原料通過重氮偶合反應(yīng)高效合成了該種偶氮顏料，反應(yīng)方程式與設(shè)備的示意圖見圖5。結(jié)合實驗結(jié)果與CFD 模擬，研究者認(rèn)為微反應(yīng)器中的兩相混合效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)強于釜式反應(yīng)器是提升產(chǎn)品均勻性和轉(zhuǎn)化率高的主要原因。通過調(diào)控溫度和反應(yīng)液濃度，在反應(yīng)溫度為25℃，停留時間為40 s 時，KD 可達(dá)到99.50%以上的轉(zhuǎn)化率，且產(chǎn)品純度超過98%。在各類偶氮顏料中，黃色偶氮顏料常常用在印刷過程的最后一個步驟，需要高透明度和純度[53]。Wang 等[54]借助微反應(yīng)器對常用顏料黃14 生產(chǎn)過程中的重氮化/重氮偶合過程進(jìn)行了系統(tǒng)研究和條件優(yōu)化，制備得到的產(chǎn)品純度可以達(dá)到90%且顆粒分布均勻，反應(yīng)的過程如圖6 所示。除了用于合成偶氮染顏料，微反應(yīng)器對于其他各類的重氮化/偶合反應(yīng)過程也有顯著的優(yōu)化效果。Jiang 等[55]使用串聯(lián)的微反應(yīng)器平臺實現(xiàn)了4-硝基苯胺（PNA）重氮化—結(jié)晶—偶合三步連續(xù)過程生成4-硝基聯(lián)苯(4-NBP)，在最優(yōu)條件下總產(chǎn)品收率可達(dá)80%，反應(yīng)流程如圖7 所示。上述研究表明，對于均相或非均相的各類重氮化/重氮偶合反應(yīng)過程，微反應(yīng)器技術(shù)都能大大提升反應(yīng)過程的安全性和穩(wěn)定性，在提高偶氮產(chǎn)品關(guān)鍵性能的同時縮短反應(yīng)所需時間，相比于傳統(tǒng)的釜式工藝有明顯的優(yōu)勢。

圖5 (a)合成顏料紅146的偶合反應(yīng);(b)合成顏料紅146的微反應(yīng)系統(tǒng)示意圖[52]Fig.5 (a)Coupling reaction of C.I.PR 146;(b)Experimental setup of the C.I.PR 146 synthesis microreactor system[52]

圖6 顏料黃14合成的重氮化和偶合反應(yīng)[54]Fig.6 Diazotization and azo coupling reaction for Yellow 14[54]

圖7 4-硝基苯胺重氮化/重氮偶合流程圖[55]Fig.7 Flow chart of diazotization/diazo coupling of 4-nitroaniline[55]

在重氮化反應(yīng)的反應(yīng)動力學(xué)方面，Wang 等[56]利用微反應(yīng)器為平臺，研究了重要偶氮顏料前體紅色基KD 的重氮化反應(yīng)動力學(xué)，并給出了流-固耦合的傳質(zhì)-反應(yīng)模型，實驗所采用的設(shè)備如圖8所示。利用微反應(yīng)器內(nèi)停留時間和反應(yīng)溫度準(zhǔn)確可調(diào)的特性，可通過標(biāo)定不同溫度和停留時間下產(chǎn)生的偶氮顏料的量來計算重氮鹽中間體的含量。研究者指出由于微通道內(nèi)混合過程迅速，反應(yīng)過程受混合的影響較小，因此可利用微反應(yīng)器搭建可靠的本征動力學(xué)數(shù)據(jù)測量平臺。該研究結(jié)果證明微反應(yīng)器優(yōu)異的傳遞特性不但在工藝條件優(yōu)化方面具有一定的優(yōu)勢，同時在基礎(chǔ)動力學(xué)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取方面也有重要的作用。

圖8 紅色基KD合成裝置示意圖[56]Fig.8 Sketch for diazotization and azo coupling reaction for Red KD[56]

4 烷基化反應(yīng)

烷基化反應(yīng)是在酸性催化劑存在下用烷基化劑合成烷基芳香烴的反應(yīng)，由于其反應(yīng)過程簡單，原料易得，成為了最常見的合成烷基芳香烴的方法[57]。烷基化試劑種類繁多，如烯烴[58]、醇[59-60]和鹵代烷[61]，但由于選擇性和反應(yīng)效率的要求，α-烯烴的使用最為廣泛[62]。硫酸是經(jīng)典的工業(yè)化酸性催化劑，已經(jīng)有研究者針對硫酸催化體系在微反應(yīng)器中的動力學(xué)規(guī)律開展研究[63]。而在近年來，由于催化效率高和反應(yīng)時間短的優(yōu)勢，酸性離子液體作為烷基化反應(yīng)的催化劑受到關(guān)注[64-65]。相比于傳統(tǒng)的硫酸催化劑，離子液體在催化效率方面具有優(yōu)勢，但在實際工藝過程中還存在如下的問題。第一，相比于經(jīng)典的酸催化劑，離子液體催化的反應(yīng)體系基礎(chǔ)動力學(xué)數(shù)據(jù)不足。反應(yīng)工藝流程和反應(yīng)器的設(shè)計都需要大量的動力學(xué)數(shù)據(jù)作為支撐，因此需要構(gòu)建準(zhǔn)確快速獲得動力學(xué)數(shù)據(jù)的測量平臺。第二，離子液體催化的反應(yīng)體系本征動力學(xué)快，傳熱和混合效率是控制反應(yīng)速率的重要因素。由于反應(yīng)速度過快，過程中釋放的反應(yīng)熱一旦積累可能導(dǎo)致危險。目前，釜式反應(yīng)器的傳熱性能較難滿足以離子液體作為催化劑的反應(yīng)過程，不能充分發(fā)揮離子液體的優(yōu)異催化性能。

微反應(yīng)器技術(shù)可有效解決上述工藝問題。首先，微反應(yīng)器中的流體高度有序，重復(fù)性好，單次反應(yīng)周期短，是測量動力學(xué)數(shù)據(jù)的良好平臺。其次，微反應(yīng)器優(yōu)異的傳熱和混合性能能夠最大限度地避免由于過熱和混合不均勻帶來的烷基化產(chǎn)品均勻度下降或副反應(yīng)等問題，能充分發(fā)揮離子液體優(yōu)異的催化性能。因此，本課題組針對工業(yè)級α-烯烴的萘烷基化開展了相關(guān)工作。Yang 等[66]以工業(yè)級混合α-烯烴為原料，離子液體（AlCl3）為催化劑，進(jìn)行微反應(yīng)器內(nèi)萘烷基化過程的研究，此工作的微反應(yīng)系統(tǒng)如圖9 所示。通過調(diào)控反應(yīng)物的相比和溫度，停留時間為40 s 時即可達(dá)到超過99%的原料轉(zhuǎn)化率。研究結(jié)果表明，選取內(nèi)徑更小的微混合器，能夠在同樣的反應(yīng)條件下達(dá)到更強的混合效果，提高反應(yīng)速率和原料轉(zhuǎn)化率。

圖9 連續(xù)流系統(tǒng)的示意圖[66]Fig.9 Schematic of the continuous-flow reactor system[66]

目前，也有研究者利用微反應(yīng)器研究新型烷基化體系。Wang 等[67]以具有交錯十字通道的微反應(yīng)器為平臺，探索了酸性咪唑離子液體[CnMIm][OTf]與H2SO4組成的二元酸性催化劑對于異丁烷/1-丁烯反應(yīng)體系的催化效果。實驗結(jié)果和模擬結(jié)果均證明微反應(yīng)器中的強化混合效果提升了主反應(yīng)的選擇性。在最優(yōu)實驗條件下，在微反應(yīng)器中的停留時間為81 s時，即可達(dá)到94.2%以上的1-丁烯轉(zhuǎn)化率，產(chǎn)品辛烷值為99.5。對于同一反應(yīng)過程，釜式反應(yīng)需耗時10～15 min，得到產(chǎn)品的辛烷值為92～94[68]。

上述研究表明，針對各類烷基化反應(yīng)過程，微反應(yīng)器都能強化混合過程，縮短反應(yīng)時間，提升產(chǎn)品質(zhì)量。同時，相比于釜式反應(yīng)器，微反應(yīng)器也可以更加快速準(zhǔn)確地獲得新型復(fù)雜多元催化劑的催化動力學(xué)數(shù)據(jù)，用于指導(dǎo)反應(yīng)過程設(shè)計。

5 氮氧化反應(yīng)

氮氧化反應(yīng)是通過強氧化劑氧化含氮雜環(huán)的有機合成反應(yīng)，此類反應(yīng)常常由于含氮雜環(huán)性質(zhì)不穩(wěn)定而有一定的危險性。3-甲基吡啶-N-氧化物是制備2-氯-5-甲基吡啶的重要中間體，可用于合成吡蟲啉、啶蟲脒等煙堿類殺蟲劑，具有重要的商業(yè)價值[69]。3-甲基吡啶-N-氧化物的傳統(tǒng)生產(chǎn)方法是在半間歇式反應(yīng)器中由3-甲基吡啶催化氧化制備。但由于3-甲基吡啶強烈的爆炸性[70]，采用間歇技術(shù)反應(yīng)效率和安全性較低[71]。相比于釜式反應(yīng)器，微反應(yīng)器技術(shù)由于優(yōu)異的換熱能力，可從根源上防止由于濃度和溫度分布不均勻而產(chǎn)生的潛在爆炸危險。

基于上述原因，本課題組針對3-甲基吡啶-N-氧化物的合成開展了相關(guān)工作。Sang等[72]研究了微反應(yīng)器內(nèi)3-甲基吡啶和H2O2為原料，MoO3為催化劑制備3-甲基吡啶-N-氧化物的反應(yīng)過程，示意圖如圖10 所示。研究者設(shè)計了一種半連續(xù)循環(huán)微反應(yīng)的新工藝，可以將原料的轉(zhuǎn)化率提升至90%以上，反應(yīng)時間大大縮短。此外，氮氧化反應(yīng)已經(jīng)有商業(yè)化的微通道技術(shù)[73]。Hamano 等[74]使用了一種商業(yè)化的玻璃微通道利用氧氣或空氣氧化2-、3-和4-甲基吡啶合成對應(yīng)的羧酸。在常溫常壓連續(xù)流動條件下，2-、3-和4-甲基吡啶在氧氣或空氣中直接氧化成相應(yīng)的羧酸而不需要任何的金屬基催化劑，停留時間只需5 min，所有反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率都能達(dá)到95%以上。該過程所采用的商業(yè)化設(shè)備示意圖如圖11所示。

圖10 循環(huán)微反應(yīng)器示意圖[72]Fig.10 Sketch for circular microreaction[72]

圖11 商業(yè)化微反應(yīng)器示意圖[74]Fig.11 Sketch for commercial microreaction[74]

上述研究表明，微反應(yīng)器對于氮氧化反應(yīng)有較好的適用性，能夠在提升反應(yīng)安全性的同時加快轉(zhuǎn)化速率，提升產(chǎn)品收率，有良好的商業(yè)應(yīng)用前景。盡管微通道中的傳質(zhì)傳熱效果好，但部分氮氧化反應(yīng)的本征動力學(xué)過慢，因此必須采用合適的催化劑，加快本征反應(yīng)速度，才能體現(xiàn)出微通道傳遞特性的優(yōu)勢[75]。

6 結(jié)論與展望

本文綜述了微反應(yīng)器技術(shù)對霍夫曼重排、環(huán)加成、重氮化和偶合、烷基化、氮氧化等典型“強放熱快反應(yīng)”有機合成反應(yīng)的應(yīng)用和研究進(jìn)展。應(yīng)用微反應(yīng)器技術(shù)對各類反應(yīng)進(jìn)行條件優(yōu)化和機理探索，不僅能夠使得這些典型的危險反應(yīng)工藝向著綠色、安全、高效和可持續(xù)化方向發(fā)展，而且能幫助研究者深入了解此類反應(yīng)的機理，并進(jìn)一步解決此類反應(yīng)生產(chǎn)過程中的瓶頸問題。基于目前的研究進(jìn)展，未來微反應(yīng)器技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該在以下幾個方面加強研究。

（1）反應(yīng)機理的研究?，F(xiàn)有微反應(yīng)研究主要著眼于反應(yīng)條件的優(yōu)化和表觀動力學(xué)的探究，缺乏對于反應(yīng)機理和本征動力學(xué)的揭示。通過對反應(yīng)機理和本征動力學(xué)的深入研究，可以揭示反應(yīng)選擇性的影響規(guī)律以及反應(yīng)過程強化的優(yōu)化方向。

（2）過程在線分析技術(shù)的應(yīng)用。隨著各類檢測手段的發(fā)展，微反應(yīng)器內(nèi)實時、可視化檢測手段的應(yīng)用將促進(jìn)該技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。微反應(yīng)器可結(jié)合在線紅外、紫外、拉曼光譜、氣質(zhì)聯(lián)用等在線檢測技術(shù)，及時、準(zhǔn)確地獲取反應(yīng)信息，顯著提高工藝開發(fā)的整體效率，還能監(jiān)控反應(yīng)進(jìn)程，實現(xiàn)過程的實時監(jiān)控。同時，可以利用收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)反饋與自調(diào)控，實現(xiàn)反應(yīng)過程“自我優(yōu)化”的效果。

（3）新工藝技術(shù)工業(yè)化的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，尤其是微反應(yīng)裝置放大規(guī)律的探索。目前，大多數(shù)微反應(yīng)器的工藝研究未能真正投入工業(yè)生產(chǎn)，停留在實驗室階段。微反應(yīng)器經(jīng)過并聯(lián)放大和相似放大后，是否能夠保留良好的傳遞和反應(yīng)性能，還有待進(jìn)一步研究，其放大后的流動傳質(zhì)與反應(yīng)規(guī)律也需進(jìn)一步深入探索。