嚴生虎，韓玲玲，沈衛(wèi)，沈介發(fā)，劉建武，張躍

（1常州大學化工設計研究院，江蘇 常州 213164；2康寧中國（上海）管理有限公司，上海 200040）

微通道中環(huán)己酮氧化合成ε-己內酯的連續(xù)流工藝

嚴生虎1，韓玲玲1，沈衛(wèi)2，沈介發(fā)1，劉建武1，張躍1

（1常州大學化工設計研究院，江蘇 常州 213164；2康寧中國（上海）管理有限公司，上海 200040）

在微通道反應器中，由H2O2、乙酸酐反應連續(xù)合成過氧乙酸氧化劑，再與環(huán)己酮經Baeyer-Villiger氧化連續(xù)合成ε-己內酯。先后考察了過氧乙酸氧化劑合成中乙酸酐與H2O2摩爾比、反應溫度、停留時間等因素的影響，環(huán)己酮氧化反應中原料摩爾配比、反應溫度、停留時間等因素對ε-己內酯合成的影響，優(yōu)化了工藝條件。結果表明，當n(乙酸酐)∶n(H2O2)=1.2∶1、反應溫度為70℃、停留時間為115s時，H2O2轉化率達88.9%，過氧乙酸收率達86.7%；當n(過氧乙酸)∶n(環(huán)己酮)=1.1∶1、反應溫度為90℃、停留時間為90s時，環(huán)己酮轉化率達96.2%，ε-己內酯的收率達80.9%。與傳統(tǒng)間歇釜式反應工藝相比，微通道反應工藝提高了ε-己內酯的收率和選擇性，縮短了反應時間，減少了原料消耗，實現了連續(xù)化操作，提高了生產安全性。

微通道反應器；環(huán)己酮；ε-己內酯；Baeyer-Villiger氧化

ε-己內酯是一種重要的有機合成中間體、新型聚酯材料的合成單體，可用于對各種樹脂進行改性，提高其光澤性、透明性和防粘性等。以它為單體共聚得到的聚己內酯及其共聚物是一類可完全生物降解的高分子材料，具有良好的生物相容性、安全性、可生物降解性和滲藥性，在生物醫(yī)藥領域得到了廣泛的應用[1-2]。

國內外有關ε-己內酯合成方法的報道很多，主要包括過氧酸氧化法[3]、H2O2氧化法[4]、O2/空氣氧化法[5]以及生物氧化法[6]等。以過氧酸為氧化劑合成己內酯的工藝技術研究比較成熟，已經應用于產業(yè)化生產，但是實際操作中存在著難以消除的安全隱患[7]。特別是合成前期過氧酸的濃縮過程，以及后續(xù)產生高濃度易爆環(huán)己酮過氧化物的純化過程，均存在較高的危險性，是該工藝實際應用的障礙。其原因在于，現有工藝技術均采用間歇操作方式進行反應，工藝參數變化大，工藝過程不穩(wěn)定，這無疑無法保證生產操作過程的安全性。

利用微通道反應技術理念研究己內酯的連續(xù)化合成工藝，是對常規(guī)間歇釜式氧化反應工藝的一個突破。微通道反應裝備具有常規(guī)反應器所不具備的一系列特性[8]：微型化的通道尺寸、倍增的換熱比表面積、優(yōu)良的傳質傳熱特性，便于連續(xù)反應，工藝條件控制精確，生產安全性高。因此，在微通道反應裝備中連續(xù)進行過酸氧化這類強放熱反應有無可比擬的優(yōu)勢。微通道反應裝備的最新設計賦予其可觀的量產化能力[9]，從而超越了僅用于實驗室研究的傳統(tǒng)角色定位，成為可跳過逐級放大直接應用于生產的高度靈活的生產裝備。

本工作利用具有特定脈沖混合結構的微通道反應器為實驗裝備，在前期研究工作基礎上[10-11]，以乙酸酐、H2O2為原料連續(xù)合成過氧乙酸；再以環(huán)己酮為底物，過氧乙酸為氧化劑連續(xù)制備ε-己內酯。分別考察了兩步反應中原料摩爾比、反應溫度以及停留時間對合成反應的影響，優(yōu)化了工藝條件，形成了ε-己內酯連續(xù)化合成工藝技術，為該新技術的實際生產應用提供了依據。

1 實驗部分

1.1 原料和儀器

乙酸酐、環(huán)己酮，試劑AR級，國藥集團化學試劑公司；H2O2（70%），工業(yè)級，上海哈勃化學技術公司。

脈沖混合模塊式微通道結構組件，玻璃G1型，美國Corning Inc.；柱塞計量泵，TBP1002T，上海同田生物技術公司；F4柱塞計量泵，HYM-PO-B2-NS-08型，日本Fuji-Techno Industries公司；氣相色譜儀，GC 9890A型，上海靈華儀器公司；恒溫換熱循環(huán)器，HR-50型，無錫晟澤理化器械公司；管道及閥門，PFA，美國Swagelok公司；常規(guī)玻璃儀器。

由若干G1型模塊式微通道結構組件和PFA管道、閥門等連接組件組合成框架結構微通道反應器。微通道結構組件具有獨特的脈沖混合結構和卓越的換熱能力，通道特征尺寸a=1mm，b=10mm（如圖1、圖2），單位換熱面積（S/V）達2500m2/m3[12]。通過反應模塊、連接件、物料輸送裝置的組合形成反應器系統(tǒng)，可實現物料的強制混合和停留時間的精確控制。

1.2 過氧酸氧化反應機理

過氧酸氧化環(huán)己酮反應機理如圖3所示[13]。首先過氧酸對環(huán)己酮的羰基進行親核加成生成過渡中間產物；然后中間產物的過氧鍵異裂成正氧離子；接著烴基從碳原子上轉移到氧原子上并進行重排，生成質子化的內酯和羧酸根負離子；最后生成內酯和羧酸。由于環(huán)己酮羰基兩邊是對稱結構，所以生成的內酯是唯一的。

圖1 G1微通道組件模塊結構示意圖

圖2 微通道混合結構單元示意圖

圖3 Baeyer-Villiger氧化反應機理

1.3 分析條件

過氧乙酸濃度分析按照GB/T19108—2003《過氧乙酸溶液 過氧乙酸含量的測定》，采用滴定法測定。

其他有機物的含量分析采用氣相色譜法。色譜分析條件：RESTEK-5φ0.25mm×30m玻璃毛細管柱，FID檢測器；汽化，檢測溫度250℃；柱流速0.58mL/min；總流速50mL/min；吹掃流速5mL/min；程序升溫：90℃(2min)～20℃/min～180℃(1min) ；進樣量1μL。

1.4 實驗步驟

過氧乙酸制備采用乙酸酐氧化法合成過氧乙酸，反應如式（1）。

乙酸酐和H2O2溶液先經計量泵輸入至預熱模塊預熱，設置預熱溫度為反應溫度；預熱后的原料進入反應模塊中開始反應；控制反應區(qū)溫度，根據反應所需的原料摩爾比和停留時間調節(jié)計量泵的流量；待反應體系穩(wěn)定后，出口處收集的料液即為過氧乙酸溶液。取樣進行滴定分析，計算原料轉化率和產物收率。實驗流程見圖4。

圖4 微通道反應系統(tǒng)流程示意圖

環(huán)己酮氧化：將反應原料換成環(huán)己酮和過氧乙酸溶液（上一步制得），作類似的實驗操作，出口處取樣，立即低溫淬滅反應；準確稱取一定量的內標物加入到樣品中，進行氣相色譜分析；通過原料的進樣量和相應的內標曲線計算收率和選擇性。

2 結果與討論

在微通道反應器中由乙酸酐氧化連續(xù)制備過氧乙酸氧化劑，再將環(huán)己酮連續(xù)氧化合成ε-己內酯，考察了過氧乙酸合成中乙酸酐與H2O2摩爾比、停留時間、反應溫度等因素對反應的影響，以及環(huán)己酮氧化反應中原料摩爾配比、停留時間、反應溫度等因素對ε-己內酯收率和選擇性的影響，并與間歇釜式反應器的合成工藝進行了比較。

2.1 過氧乙酸連續(xù)合成工藝條件

2.1.1 摩爾配比對乙酸酐過氧化反應的影響

在反應溫度70℃、停留時間115s條件下，考察了乙酸酐與H2O2摩爾比（n=1.0∶1、1.1∶1、1.2∶1、1.3∶1、1.4∶1）對反應的影響，結果見圖5。

圖5 反應物摩爾比對乙酸酐過氧化反應的影響

由圖5可見，隨著乙酸酐用量的增加，H2O2轉化率和過氧乙酸收率均呈現先迅速上升后趨于平緩的趨勢。當n(乙酸酐)∶n(H2O2)=1.2∶1時，H2O2轉化率達88.9%，過氧乙酸收率達86.7%。當摩爾比大于1.2∶1時，原料轉化率和產物收率趨于穩(wěn)定。這是因為，乙酸酐與H2O2生成過氧乙酸和乙酸的反應是可逆反應，本文雖然采用了較高濃度的H2O2（70%），但仍然使較多水分帶入了反應體系，因而反應體系中除了存在上述主反應外，還同時存在乙酸酐的水解反應和過氧乙酸的水解反應[14]。隨著乙酸酐用量的增多，H2O2與乙酸酐的碰撞概率增加，促進了反應的進行，使得原料轉化率和產物收率上升；當摩爾比大于1.2∶1后，體系中的過氧乙酸濃度較高，逆反應速度加快，正逆反應趨于平衡，同時乙酸酐的水解反應加速，導致H2O2轉化率和過氧乙酸收率上升趨緩。由于本文采用了連續(xù)流微通道反應工藝，反應溫度、物料濃度均一，停留時間控制精確，有利于減少副反應的發(fā)生率。間歇釜式合成工藝[15]中最佳物料配比1.3∶1時的產物收率為42.5%，本文與之相比，收率有所提高，并減少了原料乙酸酐的用量。

2.1.2 反應溫度對乙酸酐過氧化反應的影響

由圖6可見，隨著反應溫度的升高，H2O2轉化率逐漸上升，過氧乙酸收率呈現先上升后下降的趨勢，在70℃時過氧乙酸收率達到最大值86.7%。其原因為，隨著反應溫度的上升，體系中活化分子數增加，反應速率上升，使轉化率和收率增加。當溫度超過70℃后， H2O2分解成分子態(tài)氧的副反應加劇，導致反應物損失加?。煌瑫r，產物過氧乙酸的分解副反應增加，導致產物過氧乙酸收率降低。由于本文采用了具有卓越傳質和傳熱能力的反應裝備，便于采用更強化的工藝條件，因而取反應溫度70℃為優(yōu)選條件。與間歇工藝中[16]的最佳條件40℃時產品得率78.2%相比，溫度明顯提高。

2.1.3 停留時間對乙酸酐過氧化反應的影響

在n(乙酸酐)∶n(H2O2)=1.2∶1、反應溫度為70℃時，考察了停留時間（55s、75s、95s、115s、125s、135s、155s）對反應的影響，結果見圖7。

由圖7可見，隨著停留時間的延長，H2O2轉化率和過氧乙酸收率均出現先上升后下降的趨勢，在停留時間115s時出現最高值，此時收率達到86.7%。乙酸酐與H2O2生成過氧乙酸和乙酸的反應開始時是非均相反應，隨著反應的進行，逐漸變成均相溶液，因而傳質對反應的影響顯著。物料在脈沖混合結構微通道中流動時，流速越高，混合效果越好，越慢則越差。由于本文研究中采用了通道總長度固定的反應器，因而在實驗操作中，較短的停留時間對應著較強的混合效果，此時傳質速度較快；較長的停留時間對應著較弱的混合效果，此時傳質速度較慢。在停留時間低于115s 時，傳質速度大于反應速度，反應結果受動力學速度控制，停留時間對反應的影響是主導因素；當停留時間超過115s 后，傳質速度小于反應速度，反應結果受傳質速度控制，混合效果成為影響反應的主導因素。兩種因素交互影響的結果，導致在中間區(qū)域出現最佳條件。與間歇反應[15-16]中的最佳條件4～5h相比，大幅度縮短了反應時間。

圖7 停留時間對乙酸酐過氧化反應的影響

2.1.4 連續(xù)合成過氧乙酸的優(yōu)化條件及結果

綜合上述研究結果，取微通道中連續(xù)合成過氧乙酸的優(yōu)選工藝條件為：n(乙酸酐)∶n(H2O2)=1.2∶1，停留時間115s，反應溫度70℃，此條件下H2O2轉化率為88.9%，過氧乙酸收率達86.7%。

2.2ε-己內酯連續(xù)合成工藝條件

圖8 反應物摩爾比對Baeyer-Villiger反應的影響

2.2.1 摩爾配比對環(huán)己酮氧化反應的影響

在停留時間為90s、反應溫度90℃時，考察了過氧乙酸與環(huán)己酮摩爾比（n=0.9∶1，1.0∶1，1.1∶1，1.2∶1，1.3∶1）對反應的影響，結果見圖8。

支氣管堵塞是一種癥狀，本質上是由病原（病毒、支原體、衣原體、大腸桿菌等）、養(yǎng)殖環(huán)境及機體抵抗力降低引起的綜合征。該病病因較多，且能相互繼發(fā)，很難完全愈合。目前飼養(yǎng)場也有流行，給肉雞養(yǎng)殖業(yè)帶來很大損失。

由圖8可見，隨著過氧乙酸用量的增加，環(huán)己酮轉化率逐漸上升，ε-己內酯收率先增加后緩慢下降。當n(過氧乙酸)∶n(環(huán)己酮)=1.1∶1時，收率達到最大值80.9%。這是因為隨著過氧酸用量的增加，環(huán)己酮與親核試劑的碰撞概率增加，增加了反應速率，環(huán)己酮轉化率上升并趨于最大值；繼續(xù)增加過氧乙酸用量時，加劇了副反應的發(fā)生，從而導致產物ε-己內酯的選擇性降低，使收率下降。與文獻[17]間歇式反應工藝的最佳條件相比，本工作大大減少了過氧乙酸用量，但產物收率相近。

2.2.2 反應溫度對環(huán)己酮氧化反應的影響

在停留時間為90s、n(過氧乙酸)∶n(環(huán)己酮)=1.1∶1時，考察了反應溫度（60℃、70℃、80℃、90℃、100℃）對反應的影響，結果見圖9。

圖9 反應溫度對Baeyer-Villiger反應的影響

由圖9可見，隨著溫度的升高，原料轉化率先急劇上升后趨于平緩；產物收率先上升后下降，在90℃時達到最大值80.9%。其原因在于，溫度的提升增加了反應體系內的活化分子數，使反應速率上升，原料轉化率增加；由1.2節(jié)中的反應機理可知，過氧酸對環(huán)己酮的親核加成反應及中間產物過氧鍵的異裂反應均為可逆反應，當環(huán)己酮轉化率超過95%后，逆反應速度提升至與正反應速度相近，使轉化率難以進一步提升。反應溫度超過90℃后，環(huán)己酮氧化副反應速度加快，同時過氧乙酸的分解加劇，從而導致ε-己內酯的收率降低。本文由于采用了具有卓越傳質傳熱功能的微通道反應器，有利于提高目的產物的選擇性，與間歇反應中[18]最佳條件70℃相比，反應溫度提高了20℃。

2.2.3 停留時間對環(huán)己酮氧化反應的影響

在反應溫度為90℃，n(過氧乙酸)∶n(環(huán)己酮)=1.1∶1時，考察了停留時間（50s、70s、90s、110s、130s）對反應的影響，結果見圖10。

由圖10可見，隨著停留時間的延長，原料轉化率逐漸上升，產物收率先增大后減小，在90s時達到最大值80.9%。環(huán)己酮與過氧乙酸的反應是液-液非均相反應，同時，環(huán)己酮的Baeyer-Villiger氧化還是一個多步驟反應過程，其中還存在一定量的平行副反應。停留時間較短時，物料流速較快，混合效果較好，傳質速度大于反應速度，多步反應中最慢反應的動力學速度控制了整個反應結果，延長停留時間可增加環(huán)己酮的轉化率。停留時間超過90s后，物料流速減慢，混合傳質效果降低，但由于多步反應中最慢步驟的動力學速度依然比傳質速度慢，反應結果繼續(xù)受該動力學速度控制，原料轉化率隨時間的延長繼續(xù)上升；較長的停留時間同時增加了平行副反應的發(fā)生率，使副反應加劇，產物收率下降。適宜的停留時間應能滿足過氧酸和環(huán)己酮充分混合和反應的需要，并減少副反應的發(fā)生。間歇反應工藝中[18-19]最佳反應時間為4h，收率達60%；本工作的微通道反應工藝停留時間在90s的時候，效果最佳，收率和選擇性均優(yōu)于間歇反應工藝效果，并大幅度提升了反應器的效能。

2.2.4 連續(xù)合成ε-己內酯的優(yōu)選條件及結果

微通道中由環(huán)己酮經Baeyer-Villiger氧化連續(xù)合成ε-己內酯的優(yōu)選工藝條件為：n(過氧乙酸)∶n(環(huán)己酮)=1.1∶1，反應溫度90℃，停留時間90s，原料轉化率為96.2%，ε-己內酯的收率達到80.9%。

圖10 停留時間對Baeyer-Villiger反應的影響

3 結 論

（1）以乙酸酐、H2O2和環(huán)己酮為原料，在微通道反應器中研究了環(huán)己酮Baeyer-Villiger氧化合成ε-己內酯的反應過程，開發(fā)了相應的連續(xù)化合成工藝。

（2）研究和優(yōu)化了微通道連續(xù)合成工藝條件，過氧乙酸合成中，當n(乙酸酐)∶n(H2O2)=1.2∶1、反應溫度為70℃、停留時間為115s時，H2O2轉化率達88.9%，過氧乙酸收率達86.7%；當n(過氧乙酸)∶n(環(huán)己酮)=1.1∶1、反應溫度為90℃、停留時間為90s時，環(huán)己酮轉化率達96.2%，ε-己內酯的收率達80.9%。

（3）與常規(guī)間歇式反應工藝相比，連續(xù)流微通道反應工藝的原料消耗較低，裝置效率較高，產品收率較高，操作安全性高。

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Continuous synthesis process of ε-caprolactone from oxidization of cyclohexanone in micro-channel reactor

YAN Shenghu1，HAN Lingling1，SHEN Wei2，SHEN Jiefa1，LIU Jianwu1，ZHANG Yue1
(1Design & Research Institute of Chemical Engineering，Changzhou University，Changzhou 213164，Jiangsu，China；2Corning China (Shanghai) Regional Headquarters，Shanghai 200040，China)

:Peracetic acid was prepared as an oxidant from acetic anhydride and H2O2firstly，and thenε-caprolactone was synthesized by Baeyer-Villiger oxidization of cyclohexanone in a continuous flow micro-channel reactor. The effects of reactants molar ratio，reaction temperature and residence time on reactant conversion and product yield were investigated for both preparation of peracetic acid and synthesis ofε-caprolactone，and the process conditions were optimized. Under conditions ofn(acetic anhydride) ∶n(H2O2) = 1.2∶1，reaction temperature at 70℃，residence time of 115s，conversion of H2O2reached 88.9% and yield of peracetic acid reached 86.7%. Under conditions ofn(peracetic acid) ∶n(cyclohexanone) = 1.1∶1，reaction temperature at 90℃，residence time of 90s，conversion of cyclohexanone reached 96.2% and yield ofε-caprolactone reached 80.9%. Comparing with the traditional batch reaction process，the selectivities and yields of target products in this continuous micro-channel reaction process were increased with shortened reaction time and lessened raw material consumption，and process continuity ensured higher operation safety.

micro-channel reactor；cyclohexanone；ε-caprolactone；Baeyer-Villiger oxidation

TQ 2

A

1000-6613（2014）11-3061-06

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.11.038

2014-03-10；修改稿日期：2014-04-07。

及聯系人：嚴生虎（1972—），男，碩士，教授級高級工程師。E-mail ysh@cczu.edu.cn。