連續(xù)流反應(yīng)技術(shù)在偶氮染料及其中間體合成中的研究進(jìn)展

蘆鵬程，李姚姚，金楠

（煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264000）

染料行業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的傳統(tǒng)行業(yè)，目前我國已成為全球最大的染料生產(chǎn)國、消費(fèi)國及出口國，2022年染料產(chǎn)量高達(dá)85.6 萬t，占全球的70%[1]。分散染料是聚酯纖維染色唯一適用的染料，并隨著滌綸纖維的大量消耗而發(fā)展成為產(chǎn)量和銷量最大的染料類別；2022年我國分散染料產(chǎn)量高達(dá)39 萬t，占國內(nèi)染料產(chǎn)量的45.57%。

偶氮染料是應(yīng)用最廣泛的一類合成染料，占有機(jī)染料產(chǎn)品總量的80%[2]，因具有完整的色譜和高發(fā)色強(qiáng)度，成為發(fā)展最迅速的分散染料。偶氮染料的分子結(jié)構(gòu)中包含偶氮鍵（Ar-N=N-Ar），結(jié)構(gòu)式見圖1。圖1 中，R1～R3代表H 或吸電子取代基，如硝基、氰基、鹵素等；R4、R5代表H 或給電子取代基，如OR、NHR 等；R6、R7為H 或取代烷基等，取代烷基的取代基為羥基、氰基、芐基、-OCOR 或-COOR 等。

圖1 偶氮分散染料的結(jié)構(gòu)式

目前，偶氮染料的合成主要是通過重氮化和偶合兩步反應(yīng)完成，首先是將含有活性基的芳胺在低溫環(huán)境下和亞硝酸反應(yīng)制成重氮鹽，然后再和偶合組分進(jìn)行偶合反應(yīng)。由于反應(yīng)為多相（傳遞過程復(fù)雜）快速強(qiáng)放熱過程，反應(yīng)物料不穩(wěn)定，導(dǎo)致過程選擇性和安全性的控制難度極大。

傳統(tǒng)染料生產(chǎn)大多在間歇釜式反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，一般采取強(qiáng)力攪拌、低溫操作、控制原料添加速率等措施，促進(jìn)傳熱、降低反應(yīng)物濃度與反應(yīng)速率，以控制溫升和放熱速率，調(diào)控反應(yīng)過程。然而，其固有的間歇?jiǎng)討B(tài)操作不穩(wěn)定、混合不均勻、熱/質(zhì)傳遞速率慢等缺陷，使得反應(yīng)溫度的精確控制、反應(yīng)物料按化學(xué)計(jì)量配比的瞬時(shí)混合均勻、產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性等問題一直難以解決，且物料返混嚴(yán)重、瞬時(shí)持液量大、存在流動(dòng)死區(qū)，尤其溫度升高時(shí)，會(huì)使重氮鹽發(fā)生分解，放出氮?dú)?，釜?nèi)壓力升高，安全風(fēng)險(xiǎn)增加。此外，間歇操作方式難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，增加了勞動(dòng)強(qiáng)度和人力成本，易發(fā)生物料泄漏、損害人員健康。

連續(xù)流反應(yīng)器作為一種新型反應(yīng)器，分散效果好、熱/質(zhì)傳遞效率高、反應(yīng)器內(nèi)持液量低、反應(yīng)參數(shù)可控[3-5]，為化學(xué)反應(yīng)過程帶來了很多傳統(tǒng)設(shè)備不能實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，已成為綠色化學(xué)工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前，連續(xù)流反應(yīng)器已經(jīng)成功應(yīng)用于硝化反應(yīng)[6]、氧化反應(yīng)[7]、邁克爾加成反應(yīng)[8]、氟化反應(yīng)[9]、加氫反應(yīng)[10]等領(lǐng)域，在染料合成領(lǐng)域的研究也已有諸多文獻(xiàn)報(bào)道。本文就連續(xù)流反應(yīng)器在偶氮染料及其中間體合成的成功案例進(jìn)行綜述，闡明連續(xù)流反應(yīng)技術(shù)所具備的顯著優(yōu)勢(shì)，以及連續(xù)流反應(yīng)技術(shù)在未來所面臨的挑戰(zhàn)。

1 偶氮染料及其中間體的連續(xù)合成

1.1 芳烴的硝化和胺化反應(yīng)

芳烴的硝化和胺化反應(yīng)主要用于合成重氮鹽中間體，是制備偶氮染料中間體的重要反應(yīng)。此外，硝基在偶氮染料合成中除了作為發(fā)色基團(tuán)外，還可通過還原反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榘被?/p>

一硝基甲苯（MNT）是重要的染料中間體，其中鄰硝基甲苯用于合成分散紅82，對(duì)硝基甲苯用于生產(chǎn)直接黑K 等染料。Yang 等[11]以甲苯與混酸為原料，在碳化硅材質(zhì)的連續(xù)流反應(yīng)器中開展了MNT 合成的研究。研究發(fā)現(xiàn)，混酸中的硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)甲苯硝化的影響最大，其次是硝酸與甲苯的摩爾比、反應(yīng)溫度和停留時(shí)間。在反應(yīng)溫度為48.8 ℃，停留時(shí)間為164.84 s，硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為58.14%的條件下，甲苯和硝酸的摩爾比為1：1.29，甲苯轉(zhuǎn)化率均在85%以上，MNT 的選擇性為91.55%，MNT 的產(chǎn)量為56.75 g/h，研究結(jié)果對(duì)連續(xù)流反應(yīng)器中甲苯的硝化特性具有重要意義。MNT 制備反應(yīng)方程式見Scheme 1，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見圖2。

Scheme 1 MNT 制備反應(yīng)方程式[11]

圖2 MNT 制備實(shí)驗(yàn)裝置示意圖[11]

Ankit 等[12]以對(duì)硝基苯甲醚為原料，采用反應(yīng)通道內(nèi)徑為1 mm 的反應(yīng)器，經(jīng)硝化-氨解兩步合成苦基胺（Scheme 2）。其中，第一步硝化反應(yīng)生成苦味酸，反應(yīng)停留時(shí)間為2.5 min，收率高達(dá)90%；第二步氨解反應(yīng)生成苦基胺，反應(yīng)停留時(shí)間為1.0 min，收率可達(dá)98%。該工藝優(yōu)化后在實(shí)驗(yàn)室連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器中達(dá)到了25 g/h 的生產(chǎn)速率，HPLC 純度達(dá)到99%。該技術(shù)更安全，可擴(kuò)展，可用于商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)偶氮染料，如偶氮黃、偶氮紅、偶氮橙。

Scheme 2 連續(xù)流合成苦基胺[12]

1,3,5 -三甲基-2-硝基苯是合成甲基橙的中間體，Guo 等[13]在寬度為1.5 mm、深度為1.3 mm、內(nèi)徑為2mm 的連續(xù)流反應(yīng)器內(nèi)對(duì)1,3,5-三甲基-2-硝基苯的合成進(jìn)行研究（圖3），系統(tǒng)考察了有機(jī)溶劑、溫度、摩爾比、流量和硫酸含量對(duì)產(chǎn)物的影響。在工藝參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，通過2 個(gè)微反應(yīng)器的串聯(lián)實(shí)現(xiàn)了千克級(jí)生產(chǎn)，與傳統(tǒng)間歇式反應(yīng)器相比，硫酸用量減少86.84%，反應(yīng)時(shí)間由4 h縮短至60 s，產(chǎn)率高達(dá)95%，產(chǎn)量為1.88 kg/h。兩步合成方法在反應(yīng)時(shí)間、產(chǎn)物純度、轉(zhuǎn)化率等方面具有優(yōu)勢(shì)，為工業(yè)生產(chǎn)芳香族化合物的硝化反應(yīng)提供了一條新的合成途徑。

圖3 連續(xù)流合成1,3,5-三甲基-2-硝基苯示意圖[13]

Zhu 等[14]采用內(nèi)徑為1.0 mm 的不銹鋼管路的連續(xù)流反應(yīng)器，在操作溫度可控的前提下，利用4-氯硝基苯為底物與氨水進(jìn)行非催化胺化反應(yīng)，高效合成4-硝基苯胺（Scheme 3），后續(xù)用于合成4-(偶氮基)-2-硝基苯胺。考察了反應(yīng)溫度、停留時(shí)間、4-氯硝基苯濃度、氨與4-氯硝基苯的摩爾比、堿催化劑的存在等因素對(duì)反應(yīng)的影響，在234 ℃，氨與4-氯硝基苯摩爾比為1：10，停留時(shí)間為75 min，無堿催化劑的工藝條件下，4-氯硝基苯的轉(zhuǎn)化率達(dá)98.8%，4-硝基苯胺產(chǎn)率為91%。實(shí)驗(yàn)裝置見圖4。此外，為驗(yàn)證該工藝的可靠性，還進(jìn)行了超過13 h 的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程穩(wěn)定，無堵塞現(xiàn)象。

Scheme 3 4-硝基苯胺連續(xù)流合成反應(yīng)[14]

圖4 4-硝基苯胺連續(xù)流合成實(shí)驗(yàn)裝置[14]

Luo 等[15]在橫向振動(dòng)連續(xù)流反應(yīng)器中（圖5），研究了以甲胺水溶液為胺化試劑與對(duì)氟硝基苯高效的胺化反應(yīng)，反應(yīng)溫度為70 ℃，振動(dòng)頻率為6 Hz，停留時(shí)間為15 min 的條件下，獲得87%的高產(chǎn)率和99.5%的高純度N-甲基-4-硝基苯胺，其主要用于偶氮染料甲基橙的合成，用該方法得到的產(chǎn)品粒度小于100 μm，反應(yīng)介質(zhì)易回收，可多次重復(fù)使用。

圖5 4-氟硝基苯與甲胺水溶液的胺化反應(yīng)流程圖[15]

1.2 芳胺的N-烷基化反應(yīng)

N-烷基化反應(yīng)是芳香胺中氨基的氫原子被烷基取代的反應(yīng)，該反應(yīng)是制備偶氮染料中間體（偶合組分）的關(guān)鍵，具有重要的研究價(jià)值，目前對(duì)于N-烷基化在連續(xù)流反應(yīng)器內(nèi)的研究較少。

劉少華等[16]以苯胺和羥基乙腈為反應(yīng)物，利用康寧連續(xù)流反應(yīng)器（G1 型號(hào)）合成了N-苯胺基乙腈（圖6），得到反應(yīng)最佳溫度為180 ℃，苯胺與羥基乙腈的摩爾比為1：1.1，pH 對(duì)反應(yīng)沒有影響，在120 s 內(nèi)N-苯胺基乙腈收率達(dá)到99%，與常規(guī)反應(yīng)工藝相比，反應(yīng)效率更高，操作更簡單。

圖6 連續(xù)流反應(yīng)器制備苯氨基乙腈的反應(yīng)流程圖[16]

Yoshihisa 等[17]采用負(fù)載TiO2的連續(xù)流反應(yīng)器（通道深度為300 μm），成功觀察到了芐胺在乙醇介質(zhì)中的N-烷基化光催化過程，90 s 內(nèi)產(chǎn)率達(dá)到98%，并且抑制了N,N-二烷基化產(chǎn)物的生成。見Scheme 4 和圖7。其次，通過精密控制輻射和流動(dòng)條件，可以選擇性地得到仲胺和叔胺，選用苯胺為底物時(shí)，同時(shí)采用負(fù)載Pt/TiO2的連續(xù)流反應(yīng)器，其通道深度為25 μm，停留時(shí)間為90 s，得到57%的N-乙基苯胺和1.5%的N,N-二乙基苯胺，單烷基化產(chǎn)率較高[18]。

Scheme 4 光催化表面芐胺的乙基化反應(yīng)[17]

圖7 光催化表面芐胺的乙基化過程反應(yīng)裝置[17]

Lebleu 等[19]選用苯胺和芐胺為底物，利用通道內(nèi)徑為0.5 mm 的連續(xù)流反應(yīng)器進(jìn)行單烷基化反應(yīng)（圖8）。通過對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化，反應(yīng)溫度為80 ℃，苯胺在反應(yīng)0.5 s 時(shí)得到N-乙基芐胺的收率為67%，其選擇性高達(dá)80.5%；芐胺在反應(yīng)9.3 s 時(shí)得到N-乙基芐胺的收率為67%，突出了快速混合對(duì)單烷基化產(chǎn)物高選擇性的重要性。

圖8 單烷基化反應(yīng)系統(tǒng)[19]

1.3 重氮化/偶合反應(yīng)

重氮化反應(yīng)是硝酸與芳香胺在酸性條件下生成重氮鹽的反應(yīng)，在偶氮型分散染料合成中發(fā)揮重要作用；偶合反應(yīng)是重氮鹽與偶合組分在特定條件下發(fā)生的親電取代反應(yīng)。

Wang 等[20]利用內(nèi)徑為2 mm 的不銹鋼連續(xù)流反應(yīng)器對(duì)4 種偶氮染料連續(xù)合成進(jìn)行高效工藝強(qiáng)化（Scheme 5）。通過正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化反應(yīng)條件，亞硝酸鈉溶液和苯胺溶液：進(jìn)料溫度為25 ℃，亞硝酸鈉與苯胺的摩爾比為1.06:1，反應(yīng)物流速為30 mL/min，重氮停留時(shí)間為10 s；偶聯(lián)組分：進(jìn)料溫度為21 ℃，初始pH 為10，流速為60 mL/min?？偼Ａ魰r(shí)間為10 s，得到1 號(hào)偶氮染料的產(chǎn)率為98.73%，2 號(hào)偶氮染料的產(chǎn)率為98.86%，3 號(hào)偶氮染料的產(chǎn)率為90.24%，4 號(hào)偶氮染料的產(chǎn)率為96.71%。最后，在連續(xù)流反應(yīng)器中連續(xù)合成了工業(yè)甲基橙，收率達(dá)95.01%。

Scheme 5 在連續(xù)流反應(yīng)器中連續(xù)流動(dòng)合成偶氮染料[20]

Hideaki 等[21]報(bào)道了使用250 mm 寬、100 mm深、3 cm 長的連續(xù)流反應(yīng)器進(jìn)行5-甲基間苯二酚和4-硝基苯重氮鹽的相轉(zhuǎn)移偶合反應(yīng)（Scheme 6），該反應(yīng)在2.3 s 下轉(zhuǎn)化率接近100%，但在燒瓶中使用電磁攪拌器時(shí)，轉(zhuǎn)化率僅為80%，而且還伴隨副反應(yīng)的發(fā)生。相比之下，使用該連續(xù)流反應(yīng)器，反應(yīng)更徹底，抑制了副產(chǎn)物的生成，為避免相轉(zhuǎn)移合成中的副反應(yīng)提供了一種新的方法。

Scheme 6 微通道界面示意圖[21]

Akwi 等[22]將通道內(nèi)徑為300 μm、深度為60 μm 的LTF-MS 連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)與相轉(zhuǎn)移催化劑聯(lián)用（圖9），采用對(duì)硝基苯胺的重氮化產(chǎn)物與二苯胺偶聯(lián)反應(yīng)，建立了一種快速簡便的優(yōu)化體系，最終在2.4 min 內(nèi)二苯胺的轉(zhuǎn)化率可達(dá)99%，極大地提高了反應(yīng)產(chǎn)量，并縮短了反應(yīng)時(shí)間，該方法增強(qiáng)了安全性并易于產(chǎn)品的處理和分離。Akwi 等[23]進(jìn)一步對(duì)該反應(yīng)進(jìn)行放大實(shí)驗(yàn)，研究通道內(nèi)徑對(duì)轉(zhuǎn)化率的影響，發(fā)現(xiàn)通道內(nèi)徑從300 μm 擴(kuò)大到0.5 mm 時(shí)，在停留時(shí)間不變的條件下，轉(zhuǎn)化率基本穩(wěn)定不變，通道內(nèi)徑進(jìn)一步擴(kuò)大到1 mm 時(shí)，其轉(zhuǎn)化率降至83%，對(duì)非堿性芳香胺偶氮偶聯(lián)反應(yīng)有重要的研究意義。Akwi 等[24]還利用LTF-MS 反應(yīng)系統(tǒng)合成蘇丹Ⅱ偶氮染料，最終在2.4 min 內(nèi)達(dá)到98%的轉(zhuǎn)化率，并在內(nèi)徑為1.5 mm 的PTFE 管內(nèi)進(jìn)行放大實(shí)驗(yàn)，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率雖然僅達(dá)到66%～91%，但轉(zhuǎn)化率可以通過增加停留時(shí)間來改變。

圖9 微反應(yīng)器內(nèi)偶聯(lián)反應(yīng)裝置[23]

楊林濤等[25]探究了在連續(xù)流反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)重氮化偶合反應(yīng)，通過精確進(jìn)料、增加物料間的接觸面積、縮小物料間的擴(kuò)散距離來實(shí)現(xiàn)過程強(qiáng)化，采用微通道反應(yīng)器合成的有機(jī)顏料，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，合成C.I.分散黃241 的收率高于99%，純度達(dá)99%，C.I.分散黃211 的收率高于96%，純度達(dá)97.7%，C.I.分散紅167：1 收率高于97%，純度85%，高于標(biāo)準(zhǔn)品，產(chǎn)品收率較傳統(tǒng)間歇方法有所提高，產(chǎn)品純度較高，著色能力較強(qiáng)。

余武斌等[26]設(shè)計(jì)了一種連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)（圖10），其通道材質(zhì)為PTFE，內(nèi)徑為1 mm，綜合考察了C.I.活性黑5 合成的停留時(shí)間、反應(yīng)物流速、通道內(nèi)徑和反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)的影響。得到較優(yōu)的工藝條件，重氮鹽與偶合組分的摩爾比為1：1，流速分別為0.15 m/s、0.075 m/s，僅在36.67 s 內(nèi)產(chǎn)率高達(dá)93.01%。同時(shí)對(duì)C.I.活性紅35、C.I.活性黃16 等不同色系的偶氮活性染料合成進(jìn)行了研究，最終產(chǎn)率達(dá)80%～95%，表明該反應(yīng)系統(tǒng)具有反應(yīng)效率高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。

圖10 連續(xù)流反應(yīng)器內(nèi)連續(xù)偶合反應(yīng)系統(tǒng)[26]

阮光棟[27]報(bào)道了使用自動(dòng)連續(xù)化管式反應(yīng)器生產(chǎn)分散染料，與傳統(tǒng)工藝相比，自動(dòng)連續(xù)化生產(chǎn)工藝的分散染料收率提高2%，產(chǎn)品質(zhì)量也有所提升，母液廢水量降低20%且可以循環(huán)利用，響應(yīng)了國家清潔生產(chǎn)的號(hào)召。兩種生產(chǎn)方式生產(chǎn)的分散染料沒有色差，可推廣使用，促進(jìn)了染料行業(yè)的發(fā)展。

葉敏等[28]在通道內(nèi)徑為1 mm 的連續(xù)流反應(yīng)器中制備C.I.酸性紅54，通過探究多種影響因素，得到最優(yōu)的工藝條件，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)在室溫條件下即可進(jìn)行，與傳統(tǒng)反應(yīng)器相比，停留時(shí)間由2 h 縮短至11.11 s，C.I.酸性紅54 收率可達(dá)96.80%，并驗(yàn)證了管道化連續(xù)偶合在偶氮染料生產(chǎn)中具有較好的應(yīng)用前景。

目前，杭州吉華江東化工有限公司[30]根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的小試研究成果，設(shè)計(jì)了一套連續(xù)化生產(chǎn)偶氮染料的中試裝置，生產(chǎn)出的C.I.活性紅195 等偶氮染料的性能均符合國家標(biāo)準(zhǔn)；克拉里安特公司[31]在微反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行重氮化偶合，并在放大實(shí)驗(yàn)中得到高品質(zhì)的偶氮著色劑，達(dá)到生產(chǎn)的要求。

1.4 小結(jié)

傳統(tǒng)工藝與微反應(yīng)器反應(yīng)性能對(duì)比見表1，連續(xù)流工藝與傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的偶氮染料對(duì)比見表2。

表1 傳統(tǒng)工藝與微反應(yīng)器反應(yīng)性能的對(duì)比

表2 連續(xù)流工藝與傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的偶氮染料質(zhì)量對(duì)比[31]

由表1 可以看出，對(duì)于硝化、胺化、重氮化/偶合反應(yīng)，微反應(yīng)器與攪拌釜相比表現(xiàn)出了明顯優(yōu)勢(shì)，能在較短的停留時(shí)間內(nèi)得到較高的反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)品收率，很大程度上縮短了停留時(shí)間，提高了反應(yīng)效率，而且也保證了安全生產(chǎn)。由表2可以看出，連續(xù)流工藝得到的產(chǎn)品性能優(yōu)于傳統(tǒng)釜式工藝，為連續(xù)流反應(yīng)工藝在工業(yè)化的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

2 結(jié)論與展望

（1）本文綜述了偶氮染料及中間體在連續(xù)流反應(yīng)器中的應(yīng)用和研究進(jìn)展，重點(diǎn)是芳烴的硝化及胺化、芳胺的N-烷基化和重氮化/偶合反應(yīng)以及對(duì)各類反應(yīng)進(jìn)行條件優(yōu)化，能夠使這些危險(xiǎn)化學(xué)反應(yīng)向著綠色、安全、高效的方向發(fā)展。

（2）雖然連續(xù)流反應(yīng)器已經(jīng)成功應(yīng)用于很多反應(yīng)，但仍有部分反應(yīng)在連續(xù)流反應(yīng)器領(lǐng)域還沒有找到合適的發(fā)展路線。通過理解和預(yù)測(cè)反應(yīng)器內(nèi)流體的動(dòng)力學(xué)特性，開展計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的工作，以推動(dòng)連續(xù)流反應(yīng)技術(shù)在反應(yīng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

（3）未來的化學(xué)化工領(lǐng)域，連續(xù)流技術(shù)仍有廣泛的發(fā)展空間。目前許多連續(xù)流技術(shù)的研究僅僅是停留在實(shí)驗(yàn)室階段，其成果還未應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，今后應(yīng)注重連續(xù)流反應(yīng)技術(shù)的放大規(guī)律研究，繼續(xù)改進(jìn)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最終達(dá)到實(shí)現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的目的。