微反應(yīng)器技術(shù)在精細(xì)化工中的應(yīng)用-

1、第23卷第1期2006年1月精細(xì)化工F I NE CHE M I CAL S綜論微反應(yīng)器技術(shù)在精細(xì)化工中的應(yīng)用3李斌拜耳技術(shù)服務(wù)(上海有限公司,上海201507摘要:近年來(lái),微反應(yīng)器技術(shù)已逐漸成為國(guó)際精細(xì)化工技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。該文介紹了微反應(yīng)器技術(shù)的最新研究進(jìn)展;通過(guò)分析微反應(yīng)器的內(nèi)在結(jié)構(gòu)特征,闡明了微反應(yīng)器技術(shù)的特殊優(yōu)勢(shì);分析了微反應(yīng)器適合的化學(xué)反應(yīng)類(lèi)型;列舉了大量微反應(yīng)器技術(shù)應(yīng)用的成功范例;通過(guò)微反應(yīng)器技術(shù)和常規(guī)反應(yīng)器技術(shù)的比較,說(shuō)明了微反應(yīng)器技術(shù)在精細(xì)化工領(lǐng)域的巨大價(jià)值和動(dòng)人前景。關(guān)鍵詞:微反應(yīng)器;微反應(yīng)器技術(shù);微通道中圖分類(lèi)號(hào):T Q05文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1003-5214(2

2、00601-0001-07The La test Advances of the Appli ca ti on of M i croreacti on Technologyi n F i n e Che m i ca l I ndustryL IB inB ayer Technology Service(ShanghaiCo.,L td.,Shanghai201507,ChinaAbstract:A s an e merging technol ogy,m icr oreacti on technol ogy is becom ing an increasingly hot s pot in

3、the gl obal fine che m ical industry.The latest advances of this technol ogy are intr oduced.The superi or advantage of m icr oreact or is de monstrated by analyzing its intrinsic structural features.Types of che m ical reacti ons that could benefit fr om the m icr oreact or are discussed.I n the ma

4、j or part of this paper,many successful app licati ons of m icr oreacti on technol ogy are p resented.The contrast bet w een m icr oreacti on technol ogy and conventi onal one shows the great value and a p r om ising potential of this technol ogy in fine che m ical industry.Key words:m icr oreact or

5、;m icr oreacti on technol ogy;m icr o channels2005年5月30日,美國(guó)化學(xué)會(huì)權(quán)威雜志Che m ical&Engineering Ne ws發(fā)表了一篇封面報(bào)道,詳細(xì)評(píng)述了微反應(yīng)器技術(shù)的最新進(jìn)展1。在此之前,該雜志還于2003年6月16日發(fā)表了封面報(bào)道2,于2005年2月7日發(fā)表了另一篇報(bào)道3。在這樣短的時(shí)間內(nèi)在顯著位置接連報(bào)道微反應(yīng)器技術(shù)進(jìn)展,足見(jiàn)該技術(shù)已經(jīng)迅速成為國(guó)際化工工藝技術(shù)領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。自20世紀(jì)90年代中期微反應(yīng)器技術(shù)興起以來(lái),國(guó)外在此方面的研究和應(yīng)用的報(bào)道已經(jīng)有數(shù)百篇(其中有不少是綜述性文章48,不但取得了很多令人矚目的研究成果,

6、尤為重要的是,不少公司已經(jīng)在利用微反應(yīng)器進(jìn)行藥物和精細(xì)化學(xué)品的公斤級(jí)合成,甚至在工業(yè)生產(chǎn)上也開(kāi)始應(yīng)用。而國(guó)內(nèi)目前還處在起步階段,文獻(xiàn)報(bào)道很少912,業(yè)界人士對(duì)此新技術(shù)的了解不多,而且存在一些誤解,認(rèn)為微反應(yīng)器技術(shù)只能用于理論研究,沒(méi)有應(yīng)用價(jià)值。本文的目的在于,通過(guò)介紹微反應(yīng)器技術(shù)的研究和應(yīng)用進(jìn)展,為讀者展示微反應(yīng)器的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),以及它在精細(xì)化工領(lǐng)域的巨大應(yīng)用價(jià)值,以期推動(dòng)該前沿技術(shù)在科研工作中的應(yīng)用,更希望能引起精細(xì)化工企業(yè)的重視,及早利用這一新技術(shù)為我國(guó)的精細(xì)化學(xué)品制造業(yè)服務(wù)。1微反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特征決定了其特殊優(yōu)勢(shì)有關(guān)微反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特征,鄭亞峰等已經(jīng)有精彩評(píng)述11。在此本文只做簡(jiǎn)單描述。3收稿

7、日期:2005-07-06;定用日期:2005-07-22作者簡(jiǎn)介:李斌(1973-,男,博士,2000年畢業(yè)于大連理工大學(xué),電話:021-*轉(zhuǎn)3401,E-mail:bean.libayertechnol 。微反應(yīng)器從本質(zhì)上講是一種連續(xù)流動(dòng)的管道式反應(yīng)器。它包括化工單元所需要的混合器、換熱器、反應(yīng)器、控制器等等。但是,它的管道尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)管式反應(yīng)器,微反應(yīng)器內(nèi)部是由直徑為10500m 的很多微管并聯(lián)而成,有極大的比表面積。由此帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)是極大的換熱效率和混合效率。即能實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)溫度的精確控制和對(duì)反應(yīng)物料以精確配比瞬間混合。這些都是提高收率、選擇性、安全性,以及產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵

8、。由于這一完全不同于常規(guī)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特征,決定了微反應(yīng)器的幾個(gè)突出優(yōu)勢(shì):小試工藝不需中試可以直接放大:精細(xì)化工行業(yè)多數(shù)使用間歇式反應(yīng)器。小試工藝放大到大的反應(yīng)釜,由于傳熱傳質(zhì)效率的不同,工藝條件一般都要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)修改以適應(yīng)大的反應(yīng)器。一般的流程都是:小試中試大生產(chǎn)。而利用微反應(yīng)器技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)時(shí),工藝放大不是通過(guò)增大微通道的特征尺寸,而是通過(guò)增加微通道的數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所以小試最佳反應(yīng)條件不需要做任何改變就可以直接進(jìn)入生產(chǎn)。因此不存在常規(guī)反應(yīng)器的放大難題。從而大幅度縮短了產(chǎn)品由實(shí)驗(yàn)室到市場(chǎng)的時(shí)間。這一點(diǎn)對(duì)于精細(xì)化工行業(yè),尤其是惜時(shí)如金的制藥行業(yè),意義極其重大。對(duì)反應(yīng)溫度的精確控制:極大的比表面積決

9、定了微反應(yīng)器有極大的換熱效率,即使是反應(yīng)中瞬間釋放出大量熱量,也可以及時(shí)移出,維持反應(yīng)溫度不超過(guò)設(shè)定值。而對(duì)于強(qiáng)放熱反應(yīng),常規(guī)反應(yīng)器中由于混合速率及換熱效率不夠高,常常會(huì)出現(xiàn)局部過(guò)熱現(xiàn)象,導(dǎo)致副產(chǎn)物生成,收率和選擇性下降。在精細(xì)化工生產(chǎn)中,如果不能及時(shí)導(dǎo)出劇烈反應(yīng)產(chǎn)生的大量熱量,就會(huì)發(fā)生沖料事故甚至爆炸。對(duì)反應(yīng)時(shí)間的精確控制:常規(guī)的單鍋反應(yīng),往往采用逐漸滴加反應(yīng)物,以防止反應(yīng)過(guò)于劇烈,這就造成一部分先加入的反應(yīng)物停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。對(duì)于很多反應(yīng),反應(yīng)物、產(chǎn)物或中間過(guò)渡態(tài)產(chǎn)物在反應(yīng)條件下停留時(shí)間一長(zhǎng)就會(huì)導(dǎo)致副產(chǎn)物的產(chǎn)生。而微反應(yīng)器技術(shù)采取的是微管道中的連續(xù)流動(dòng)反應(yīng),可以精確控制物料在反應(yīng)條件下的停留時(shí)

10、間。一旦達(dá)到最佳反應(yīng)時(shí)間就立即傳遞到下一步或終止反應(yīng),這樣就能有效消除因反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)而產(chǎn)生的副產(chǎn)物。物料以精確配比瞬間混合:對(duì)于那些對(duì)反應(yīng)物料配比要求很精確的快速反應(yīng),如果攪拌不好,就會(huì)在局部出現(xiàn)配比過(guò)量,產(chǎn)生副產(chǎn)物,在常規(guī)反應(yīng)器中幾乎無(wú)法避免,而微反應(yīng)器的反應(yīng)通道一般只有數(shù)十微米,可以精確按配比混合,避免副產(chǎn)物生成。結(jié)構(gòu)保證安全性:由于換熱效率極高,即使反應(yīng)突然釋放大量熱量,也可以被吸收,從而保證反應(yīng)溫度在設(shè)定范圍內(nèi),最大程度地減少了發(fā)生安全事故和質(zhì)量事故的可能性。而且微反應(yīng)器采用連續(xù)流動(dòng)反應(yīng),在反應(yīng)器中停留的化學(xué)品量很少,即使萬(wàn)一失控,危害程度也非常有限。良好的可操作性:微反應(yīng)器是密閉的微管

11、式反應(yīng)器,在高效微換熱器的配合下實(shí)現(xiàn)精確的溫度控制,它的制作材料可以是各種高強(qiáng)度耐腐蝕材料,因此可以輕松實(shí)現(xiàn)高溫、低溫、高壓反應(yīng)。另外,由于是連續(xù)流動(dòng)反應(yīng),雖然反應(yīng)器體積很小,產(chǎn)量卻完全可以達(dá)到常規(guī)反應(yīng)器的水平。2微反應(yīng)器適合的反應(yīng)類(lèi)型據(jù)統(tǒng)計(jì),在精細(xì)化工反應(yīng)中,大約有20%的反應(yīng)可以通過(guò)采用微反應(yīng)器,在收率、選擇性或安全性等方面得到提高13。盡管只有20%,但是考慮到精細(xì)化工反應(yīng)范圍廣、數(shù)量大,微反應(yīng)器的應(yīng)用潛力是非常巨大的。微反應(yīng)器顯然并非適用于所有類(lèi)型的化學(xué)反應(yīng),根據(jù)多年工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出它的優(yōu)勢(shì)集中體現(xiàn)在以下類(lèi)型的反應(yīng)上:放熱劇烈的反應(yīng):對(duì)這類(lèi)反應(yīng),常規(guī)反應(yīng)器一般采用逐漸滴加的進(jìn)料方式,即使

12、這樣,在滴加的瞬間局部也會(huì)過(guò)熱,造成一定量的副產(chǎn)物。而微反應(yīng)器由于能夠及時(shí)導(dǎo)出熱量,對(duì)反應(yīng)溫度實(shí)現(xiàn)精確控制,消除局部過(guò)熱,所以能夠顯著提高反應(yīng)的收率和選擇性。反應(yīng)物或產(chǎn)物不穩(wěn)定的反應(yīng):某些反應(yīng)的反應(yīng)物或生成物很不穩(wěn)定,在反應(yīng)器中停留時(shí)間一長(zhǎng)就會(huì)分解而降低收率。微反應(yīng)器是連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng),可以精確控制反應(yīng)物的停留時(shí)間。對(duì)反應(yīng)物配比要求很?chē)?yán)的快速反應(yīng):某些反應(yīng)對(duì)配料比要求很?chē)?yán)格,其中某一反應(yīng)物過(guò)量就會(huì)引起副反應(yīng)(如要求單取代的反應(yīng),就可能有二取代和三取代物產(chǎn)生。由于微反應(yīng)器系統(tǒng)可以瞬間達(dá)到均勻混合,避免局部過(guò)量,副產(chǎn)物可減少到最低。危險(xiǎn)化學(xué)反應(yīng)以及高溫高壓反應(yīng):對(duì)某些易于失控的化學(xué)反應(yīng),一旦失控,就會(huì)

13、造成反應(yīng)溫度急劇升高,壓力急劇增加,引起沖料甚至爆炸。而微反應(yīng)器的反應(yīng)熱可以很快導(dǎo)出,因此反應(yīng)溫度可以有效控制在安全范圍內(nèi),使失控的風(fēng)險(xiǎn)降到最低;微反應(yīng)器中又是連續(xù)流動(dòng)反應(yīng),即使發(fā)生不測(cè),在線的化學(xué)品量極少,造成的危害也是微不足道的。因此微反應(yīng)器非常適合此類(lèi)反應(yīng)。納米材料及需要產(chǎn)物均勻分布的顆粒形成反應(yīng)或聚合反應(yīng):由于微反應(yīng)器能實(shí)現(xiàn)瞬間混合,對(duì)于形成沉淀的反應(yīng),顆粒形成、晶體生長(zhǎng)的時(shí)間是基本一致的,因此得到的顆粒的粒徑有窄分布特點(diǎn)。對(duì)于某些聚合反應(yīng),則有可能得到聚合度窄分布的產(chǎn)品。2精細(xì)化工F I N E CHE M I CALS 第23卷3微反應(yīng)器技術(shù)應(yīng)用實(shí)例近年來(lái)用微反應(yīng)器進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的研

14、究很多。但遺憾的是關(guān)于工業(yè)應(yīng)用的研究則報(bào)道很少。這一點(diǎn)不難理解,因?yàn)樾录夹g(shù)的應(yīng)用往往為使用者帶來(lái)競(jìng)爭(zhēng)力的提升,為保護(hù)其商業(yè)利益,自然會(huì)對(duì)其商業(yè)機(jī)密?chē)?yán)加保密。雖然如此,文獻(xiàn)公開(kāi)報(bào)道的一些應(yīng)用實(shí)例仍然能為讀者清晰解讀微反應(yīng)器技術(shù)的巨大優(yōu)勢(shì)所在。3.1低溫反應(yīng)及金屬有機(jī)化學(xué)反應(yīng)有機(jī)化學(xué)中有不少反應(yīng),要求在零下數(shù)十度甚至更低溫度進(jìn)行。其中很多是金屬有機(jī)化學(xué)反應(yīng)。這一類(lèi)反應(yīng)的共有特征是,對(duì)溫度要求比較嚴(yán)格,溫度一旦高出設(shè)定值,導(dǎo)致副產(chǎn)物生成,收率和選擇性大幅下降。因此,反應(yīng)的操作比較繁瑣,往往要在很低的反應(yīng)溫度逐漸滴加物料。這一點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)室不難實(shí)現(xiàn),在生產(chǎn)上就比較難以實(shí)現(xiàn),即使采用內(nèi)加盤(pán)管的反應(yīng)罐往往也需

15、要很長(zhǎng)時(shí)間才能完成加料,更不用說(shuō)設(shè)備投資和能耗問(wèn)題。對(duì)這一大類(lèi)反應(yīng),微反應(yīng)器技術(shù)大有用武之地。請(qǐng)看下列實(shí)例:實(shí)例1低溫S wern 氧化反應(yīng)以DMS O 將羥基化合物氧化為羰基,稱(chēng)為Moffatt 2S wern 氧化,是以醇制備羰基化合物的有效而可靠的方法(見(jiàn)圖1。在此反應(yīng)中,首先以三氟乙酸酐和DMS O 作用,生成活性中間產(chǎn)物和,這兩者非常容易經(jīng)過(guò)Pummerer 重排生成副產(chǎn)物和。最終產(chǎn)品中的副產(chǎn)物為和。為此,反應(yīng)必須在低于-50條件下進(jìn)行,以抑制副產(chǎn)物的生成。這就極大地限制了這一反應(yīng)在工業(yè)上的應(yīng)用。Ka waguchi T 等采用微反應(yīng)器技術(shù)對(duì)此反應(yīng)進(jìn)行了研究(圖2,取得了令人鼓舞的成

16、果14:反應(yīng)在20進(jìn)行,得到了比常規(guī)反應(yīng)器-70還要高的收率和選擇性(見(jiàn)表1 。圖1S wern 氧化反應(yīng)Fig .1S wern oxidati on圖2利用微反應(yīng)器進(jìn)行S wern 氧化反應(yīng)Fig .2The layout of m icr oreact ors f or S wern oxidati on 表1利用微反應(yīng)器進(jìn)行S wern 反應(yīng)生成環(huán)己酮Table 1S wern oxidati on of cycl ohexanol by using them icr oreact or syste m在R1中的停留時(shí)間/s 反應(yīng)溫度/主產(chǎn)物收率/%副產(chǎn)物收率/%副產(chǎn)物收率/%常規(guī)反應(yīng)

17、器-20-701983210705微反應(yīng)器-20002088328988675512由圖2可知,M1,M2,M3分別為微混合器,R1,R2,R3,R4分別為毛細(xì)管式反應(yīng)器,除了R4溫度恒定在30外,其他所有系統(tǒng)都浸沒(méi)在恒溫浴中。4種反應(yīng)物分別由活塞泵以圖示的流速連續(xù)注入反應(yīng)器,由于流速固定,各步反應(yīng)的停留時(shí)間可以通過(guò)設(shè)定各步毛細(xì)管式反應(yīng)器的保留體積來(lái)設(shè)定。各步的停留時(shí)間為:R1:0101214s;R2:112s;R3:112s;R4:519s 。以環(huán)己醇為例比較微反應(yīng)器和常規(guī)反應(yīng)器的反應(yīng)結(jié)果,見(jiàn)表1。常規(guī)反應(yīng)器(30mL 電磁攪拌燒瓶在-70反應(yīng),收率為83%,當(dāng)溫度升高到-20,收率就急劇降

18、低到19%。顯然是大多數(shù)的活性中間產(chǎn)物都經(jīng)過(guò)Pu mmerer 重排反應(yīng)生成了。再看微反應(yīng)器:同樣在-20,在停留時(shí)間為214s 時(shí),收率達(dá)到88%,已經(jīng)超過(guò)了常規(guī)反應(yīng)器-70的收率。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高到0時(shí),收率卻大幅度下降到32%。這可能是因?yàn)榛钚灾虚g產(chǎn)物在此溫度下停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng),造成分解。為了驗(yàn)證,將停留時(shí)間縮短到0101s,果然在0取得了89%的收率。繼續(xù)提高溫度到20,停留時(shí)間為0101s,收率幾乎不變。在此條件下連續(xù)運(yùn)行反應(yīng)3h,收率為89%92%。實(shí)例2Grinard 試劑與硼酸酯低溫反應(yīng)生成苯基硼酸有機(jī)硼化合物是有機(jī)合成中重要的一類(lèi)化合3第1期李斌:微反應(yīng)器技術(shù)在精細(xì)化工中的應(yīng)用物

19、,在醫(yī)藥和農(nóng)藥合成中都有重要用途,例如通過(guò)Suzuki 反應(yīng)可以合成很多有價(jià)值的結(jié)構(gòu)。使用Grinard 試劑制備有機(jī)硼化合物是一種常用辦法。但是此反應(yīng)速度很快,反應(yīng)放熱比較劇烈,而且一旦溫度過(guò)高就會(huì)出現(xiàn)副產(chǎn)物,見(jiàn)圖315,16。圖中R 1,R 2是反應(yīng)物,P 1是產(chǎn)品。I 14是過(guò)渡態(tài)中間體,C 1,C 2分別是二取代和三取代產(chǎn)物,S 15是各種途徑產(chǎn)生的其他副產(chǎn)物 。圖3苯基硼酸的制備及其副反應(yīng)Fig .3Phenyl bor onic acid p r ocess and side reacti ons為了抑制副產(chǎn)物的產(chǎn)生,取得滿意的收率,工業(yè)上采用的辦法是:(1硼酸酯大大過(guò)量;(2反應(yīng)

20、在-35-55的低溫下進(jìn)行;(3由于反應(yīng)放熱比較劇烈,要求長(zhǎng)時(shí)間逐漸滴加反應(yīng)物。反應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性差,工業(yè)上操作較繁瑣。Hessel V 等15用微反應(yīng)器對(duì)此反應(yīng)進(jìn)行了研究,并比較了相同條件下兩種反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,見(jiàn)表2。同樣是小試,在20左右,微反應(yīng)器收率比常規(guī)反應(yīng)器提高約12%,而且微反應(yīng)器在50取得了和22幾乎相同的收率。中試生產(chǎn)結(jié)果表明,在10,即可達(dá)到8912%的滿意收率。表2以微反應(yīng)器合成苯基硼酸Table 2Phenyl bor onic acid p r ocess by m icr oreact ors反應(yīng)規(guī)模反應(yīng)溫度/主產(chǎn)物收率/%常規(guī)反應(yīng)器1.5L 小試工業(yè)生產(chǎn)20小試小試中試

21、生產(chǎn)中試生產(chǎn)2250104083.282.189.279.實(shí)例3生成芳基鋰,并與羰基加成在此反應(yīng)中,首先由芳基溴與丁基鋰生成芳基鋰化合物,然后與羰基加成后生成產(chǎn)物8。M eO B r n 2Bu L iM eO L i DM FM eO CHO比較表3中的數(shù)據(jù)可以看出,常規(guī)反應(yīng)器中反應(yīng)收率受溫度和投料量的影響很大。表3芳基鋰與羰基加成的反應(yīng)Table 3Additi on reacti on of lithiu m phenyl on carbonyl gr oup反應(yīng)溫度/反應(yīng)規(guī)模/mol收率/%微反應(yīng)器0連續(xù)88常規(guī)反應(yīng)器-65-60-50-40Quant 85/766024在-65左右,

22、投料量?jī)H0104mol 時(shí),收率幾乎100%;投料量提高到018mol,溫度提高到-60,收率就明顯降低;當(dāng)反應(yīng)溫度為-40,投料量增加到418mol 時(shí),收率降到24%。而微反應(yīng)器在4精細(xì)化工F I N E CHE M I CALS 第23卷0,兩步總共停留時(shí)間為20s左右,收率即達(dá)到88%,而且可以以每小時(shí)59g的速度生產(chǎn)產(chǎn)品,即每天可以生產(chǎn)約10mol的產(chǎn)品。實(shí)例4一個(gè)金屬有機(jī)化合物的加成反應(yīng)這又是一個(gè)放熱比較劇烈的金屬有機(jī)化合物的反應(yīng)17。R1OR2+M(nR1OMR2(n比較表4中的數(shù)據(jù)可以看出,常規(guī)500mL反應(yīng)瓶中-40反應(yīng)015h,收率為88%;6m3反應(yīng)鍋-20反應(yīng)5h,收率

23、降到72%;使用微反應(yīng)器進(jìn)行小試,在-10,停留時(shí)間僅10s,收率達(dá)95%;而且這一條件放大到生產(chǎn)規(guī)模后收率仍然有92%。表4一個(gè)金屬有機(jī)化合物的加成反應(yīng)Table4An additi on reacti on of organometallic agent反應(yīng)器類(lèi)型反應(yīng)溫度/停留時(shí)間收率/%常規(guī)反應(yīng)器500mL6m3-40-205h8872微反應(yīng)器小試放大-10-1010s10s9592小結(jié)從以上實(shí)例可以看出,常規(guī)需要在-70進(jìn)行的反應(yīng),用微反應(yīng)器在室溫或稍低于0即可進(jìn)行,且收率還有所提高。或者,在同等溫度條件下,反應(yīng)收率大幅度提高。原因可以歸結(jié)為:(1精確地控制停留時(shí)間,使活性中間產(chǎn)物在來(lái)

24、不及分解前就進(jìn)入下一步反應(yīng),有效抑制了副反應(yīng);(2精確的溫度控制消除了常規(guī)反應(yīng)器中的反應(yīng)物局部過(guò)熱現(xiàn)象;(3高效的混合使反應(yīng)物得以瞬間按配比精確混合,并立即轉(zhuǎn)入下一步反應(yīng)。這些特點(diǎn)是常規(guī)間歇式反應(yīng)器所不具備的。3.2高溫反應(yīng)及易失控反應(yīng)實(shí)例5高溫?zé)嶂嘏欧磻?yīng)NCO HNCO這是一個(gè)熱重排反應(yīng)18。反應(yīng)溫度140,需要27h;150需要10h?？梢?jiàn),反應(yīng)溫度越高所需時(shí)間越短。但是反應(yīng)溫度越高則反應(yīng)速度越快,所釋放的熱量可能使反應(yīng)失控。間歇式反應(yīng)采用的辦法是,逐漸加料,并使用溶劑回流來(lái)穩(wěn)定反應(yīng)溫度。缺點(diǎn)是反應(yīng)時(shí)間很長(zhǎng),導(dǎo)致收率降低。使用微反應(yīng)器與常規(guī)反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較見(jiàn)表5。使用微反應(yīng)器在310m

25、 in的停留時(shí)間內(nèi),以遠(yuǎn)高于常規(guī)反應(yīng)溫度的220260進(jìn)行反應(yīng),不使用溶劑即取得了非常高的收率。表5高溫?zé)嶂嘏欧磻?yīng)Table5A ther mo rearrange ment reacti on溶劑使用情況溫度/反應(yīng)時(shí)間收率/%微反應(yīng)器不使用溶劑220260310m in98常規(guī)反應(yīng)器使用一種有害溶劑1401501227h8085實(shí)例6精確控溫防止脫羧副反應(yīng)HO2CNMeNPrHNO3/H2S O490HO2CNMeNPrO2N100NMeNPrO2N此硝化反應(yīng)的問(wèn)題在于,反應(yīng)放熱劇烈,而反應(yīng)溫度又必須控制在100以下,否則產(chǎn)物會(huì)發(fā)生脫羧副反應(yīng)19。在小的反應(yīng)罐內(nèi)控制溫度相對(duì)容易,而在大的反應(yīng)

26、釜內(nèi),由于傳質(zhì)傳熱效率不高的原因,往往會(huì)在局部形成“熱點(diǎn)”,導(dǎo)致副產(chǎn)物形成。為此工業(yè)反應(yīng)需要在50,逐步加料,共10h完成反應(yīng)。而微反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)表明,反應(yīng)可以在90快速進(jìn)行,取得了和工業(yè)上相同的收率。這一接近安全極限的溫度是以往不可想象的,微反應(yīng)器憑借優(yōu)越的控溫性能,在極限條件下安全快速地完成了反應(yīng)。實(shí)例7一個(gè)釋放氮?dú)獾目焖俜磻?yīng)NBocO+N2OOEtBF3Et2ONBocOOO Et+N2這是藥物合成中的一個(gè)反應(yīng)20。反應(yīng)產(chǎn)物,除了主產(chǎn)物外,還生成氮?dú)?。反?yīng)放熱劇烈,一旦溫度控制不好,就會(huì)短時(shí)間釋放大量氮?dú)舛饹_料。實(shí)施該反應(yīng)的目的是在短時(shí)間內(nèi)合成公斤級(jí)的藥物供臨床試驗(yàn),而做工藝放大的安全

27、性評(píng)價(jià)要消耗寶貴的時(shí)間。Zhang X等直接將小試條件應(yīng)用到微反應(yīng)器,以91g/h的速度合成了產(chǎn)品,收率與小試幾乎一致。微反應(yīng)器使該文作者繞過(guò)了費(fèi)時(shí)費(fèi)力的常規(guī)工藝放大試驗(yàn),為藥物的研發(fā)節(jié)省了時(shí)間。小結(jié)易失控反應(yīng)有一個(gè)共性:不達(dá)到某一條件反應(yīng)不能引發(fā),而稍微高于這一條件則反應(yīng)很容易失控。常規(guī)反應(yīng)器靠的是長(zhǎng)時(shí)間逐步加料,以及嚴(yán)格的安全管理來(lái)保障安全。但是長(zhǎng)時(shí)間加料喪失了效率;而再嚴(yán)格的安全管理也不能保證事故絕對(duì)不發(fā)生。微反應(yīng)器對(duì)易失控反應(yīng)的控制,依靠的是它精確的控溫能力,以及將間歇式反應(yīng)改變?yōu)檫B續(xù)流動(dòng)過(guò)程,5第1期李斌:微反應(yīng)器技術(shù)在精細(xì)化工中的應(yīng)用6 精 細(xì) 化 工 F I E CHEM N I

28、CALS 第 23 卷 在指定的時(shí)間和位置對(duì)反應(yīng)進(jìn)行引發(fā) , 在短時(shí)間內(nèi) 完成反應(yīng)后立即終止反應(yīng) 。這個(gè)過(guò)程類(lèi)似于精確控 制一個(gè)反應(yīng)堆的點(diǎn)火和熄滅 。 微反應(yīng)器的這一特點(diǎn)為化學(xué)家打開(kāi)了一扇新的 OM e CO 2M e N+ Bu + M eO OM e M eO OM e 大門(mén) ,使很多反應(yīng)可以在以往無(wú)法嘗試或不敢嘗試 的極限條件下進(jìn)行考察 。 3. 3 利用微反應(yīng)器提高反應(yīng)選擇性 實(shí)例 8 提高傅克反應(yīng)單取代產(chǎn)物收率 CO 2M e N Bu OM e + M eO 2 C N Bu M eO OM e N Bu OM e CO 2M e 此反應(yīng)在 - 78 進(jìn)行 。由于反應(yīng)物非常活潑 ,

29、 很容易發(fā)生多取代 21 Pennemann H 等使用微混合器進(jìn)行了偶氮顏 。由表 6 可知 ,常規(guī)反應(yīng)器中 料 ,顏料黃 12 號(hào)的合成 23 。通過(guò)比較微反應(yīng)器和 將兩種反應(yīng)物以等摩爾比投料 , 得到單取代產(chǎn)物的 收率很低 ,得到二取代物的量卻很大 。由于反應(yīng)速 度很快 ,控制反應(yīng)的關(guān)鍵是反應(yīng)局部的溫度控制和 瞬間以精確配比混合反應(yīng)物 。使用微反應(yīng)器后 , 單 取代物的收率大大提高 , 取得了遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)反應(yīng) 器的收率 ( 92% 和選擇性 ( 96% 。 表 6 傅克反應(yīng)單取代物的選擇性 Table 6 A Friedel2 Crafts reaction w ith i p rove

30、d selectivity of m 反應(yīng)器 間歇式 015 mm T型常規(guī)管式 25 m 管徑微混合器 常規(guī)反應(yīng)器得到的顏料顆粒 , 發(fā)現(xiàn)前者不但平均粒 徑明顯小于后者 , 而且粒徑分布要窄很多 。由于晶 體性質(zhì)得到改變 ,質(zhì)量指標(biāo)也得到大幅度提升 ,光澤 度提高了 73% ,透明度提高了 66% 。 實(shí)例 12 某偶氮顏料的制備 另一篇文獻(xiàn)報(bào)道了類(lèi)似的結(jié)果 8 , 利用微反應(yīng) 器得到的顏料顆粒的粒徑分布明顯優(yōu)于常規(guī)方法 。 除了光澤度和透明度得到大幅度提高外 , 強(qiáng)度也提 高了 19% 39% 。 實(shí)例 13 自由基聚合反應(yīng) I asaki T 等比較了一系列自由基聚合反應(yīng)在 w 實(shí)例 9

31、 萘環(huán)上的硝化反應(yīng) 由于涉及商業(yè)機(jī)密 ,這里只能定性描述 。 一般萘環(huán)上的磺化 、 硝化反應(yīng)等親電反應(yīng)都會(huì) 有一取代物 、 二取代物 、 三取代物及在不同位置上的 取代產(chǎn)物 。提高反應(yīng)的選擇性對(duì)提高質(zhì)量降低成本 的意義可想而知 。這類(lèi)產(chǎn)品大生產(chǎn)中往往隨著反應(yīng) 鍋體積的增大 ,收率降低 。采用微反應(yīng)器后 ,比常規(guī) 反應(yīng)器可明顯提高主產(chǎn)物收率 。 小結(jié) 微反應(yīng)器在某些反應(yīng)上取得高的選擇性 , 源自 于其出色的溫度控制能力和瞬間混合能力 。精確的 停留時(shí)間控制 ,可使反應(yīng)在完成一取代后 ,來(lái)不及進(jìn) 行二取代之前就終止反應(yīng)了 。 3. 4 其他實(shí)例 實(shí)例 10 納米金顆粒的制備 此反應(yīng)是用一個(gè)還原劑

32、(此處為抗壞血酸溶 22 液 還原一個(gè)金鹽的溶液 , 得到金的納米顆粒 作者采用 HAuC l4 溶液與抗壞血酸溶液在微反應(yīng)器 以連續(xù)流動(dòng)式反應(yīng) , 得到的納米顆粒在 5 50 nm , 比常規(guī)反應(yīng)器得到的顆粒的粒徑分布要窄兩倍 。 實(shí)例 11 顏料黃 12 號(hào)的制備 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. mono 2substituted p roduct 37 36 92 單取代產(chǎn)物 二取代產(chǎn)物 收率 /% 收率 /% 32 31 4 單取代產(chǎn)物與二取代 產(chǎn)物摩爾

33、比 54 46 54 46 96 4 微反應(yīng)器和常規(guī)反應(yīng)器中的聚合度分布 24 。以制 備丙烯酸丁酯的聚合反應(yīng)為例 , 不但聚合度的分布 窄 ,而且高聚合度物質(zhì)大量減少 。后者是造成反應(yīng) 器堵塞的主要原因之一 。 小結(jié) 微反應(yīng)器在制備顏料等顆粒產(chǎn)物上 , 得到了更 小的粒徑以及窄的粒徑分布 , 這些往往是提高產(chǎn)品 質(zhì)量的關(guān)鍵 。在自由基聚合反應(yīng)上 , 得到了窄的聚 合度分布 。原因是 : 反應(yīng)物料在微通道內(nèi)瞬間混合 , 其效率是常規(guī)間歇式反應(yīng)器無(wú)法達(dá)到的 。由于混合 效率高 ,顆?；蚓w的生長(zhǎng)時(shí)間趨于一致 ,得到的產(chǎn) 品粒徑就趨于窄分布 。對(duì)于自由基引發(fā)的聚合反 應(yīng) ,道理是同樣的 : 引發(fā)劑

34、和單體瞬間混合 , 避免了 間歇式反應(yīng)器中的引發(fā)劑局部過(guò)量 , 從而得到均勻 的聚合產(chǎn)物 。 4 結(jié)束語(yǔ) 對(duì)很多常規(guī)反應(yīng)器很難操作的反應(yīng) , 微反應(yīng)器 技術(shù)提供了嶄新的解決方案 。低溫反應(yīng)不再是“ 低 溫” 反應(yīng) ; 以往不得不小心翼翼操作的易失控反應(yīng) 被改造成安全高效的工藝 ; 緩慢的反應(yīng)被提高到以 往不敢想像的溫度和壓力下快速進(jìn)行 ; 原本因選擇 性不高而缺乏工業(yè)價(jià)值的反應(yīng)得以重新被工業(yè)化學(xué) 家審視 ; 以毫秒級(jí)的停留時(shí)間進(jìn)行反應(yīng) ,充分防止了 。 第 1期 李 : 微反應(yīng)器技術(shù)在精細(xì)化工中的應(yīng)用 斌 7 高度活潑的過(guò)渡態(tài)中間體的分解 ?？傊?, 微反應(yīng)器 技術(shù)極大地拓展了化學(xué)家和工程師們

35、的視野 , 為他 們提供了全新的技術(shù)手段 。 目前國(guó)際上微反應(yīng)器技術(shù)的主要提供者 , 有德 國(guó)美因茲微技術(shù)研究所 、 拜耳公司 、 公司等 。其 CPC 中前兩家已在中國(guó)大陸開(kāi)展業(yè)務(wù) 。 盡管有諸多優(yōu)勢(shì) ,微反應(yīng)器作為一種新技術(shù) ,仍 然有很多問(wèn)題需要解決。其中最嚴(yán)重的問(wèn)題是 : 堵塞 和腐蝕。對(duì)于堵塞問(wèn)題 ,由于微通道直徑非常小 ,反 應(yīng)原料中含有固體的反應(yīng)就很難操作 。因此微反應(yīng) 器主要還是用于液液反應(yīng)和氣液反應(yīng) 。對(duì)于多相催 化反應(yīng) ,盡管目前已經(jīng)有很多研究進(jìn)展 ,但離工業(yè)化 似乎還有一段距離。腐蝕問(wèn)題對(duì)微反應(yīng)器的嚴(yán)重性 在于 ,數(shù)十微米的腐蝕對(duì)常規(guī)反應(yīng)器絲毫不構(gòu)成威 脅 ,而對(duì)微反應(yīng)器

36、就可能構(gòu)成嚴(yán)重?fù)p害 。因此 ,微反 應(yīng)器的使用必須首先考慮到材質(zhì)是否耐反應(yīng)物料腐 蝕。例如如果物料中含有稀鹽酸 ,就不能用普通不銹 鋼 ,而必須選用耐鹽酸的哈氏合金制作微反應(yīng)器 。 作為一件新生事物 , 人們持有懷疑是正常的 。 但是通過(guò)以上所舉的實(shí)例 , 應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到這一技術(shù)的 巨大價(jià)值 。而目前這一技術(shù)在中國(guó)大陸的應(yīng)用還幾 乎是空白 ,無(wú)論是在科研上還是生產(chǎn)上 ,都有很多工 作可以開(kāi)展 。 參考文獻(xiàn) : 1 Thayer A M. Harnessing m icroreactios J . Chem & Eng News, 2005, 83 ( 22 : 43 - 52. 2 Freeman

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