李緒根，王建芝，劉 捷，林 笑，張 程，喻發(fā)全

(武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院，湖北 武漢 430502)

精細(xì)化工在化工行業(yè)的地位十分重要，精細(xì)化學(xué)品種類多、專用性強(qiáng)、附加值高，廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。隨著綠色環(huán)保節(jié)能理念的提出，精細(xì)化工行業(yè)越來越注重可持續(xù)發(fā)展，綠色化工技術(shù)已成為精細(xì)化工行業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排、綠色安全生產(chǎn)的新趨勢。

氧化反應(yīng)是有機(jī)合成中最重要的化學(xué)反應(yīng)之一，是雜原子引入和官能團(tuán)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵，被廣泛應(yīng)用于精細(xì)化學(xué)品的合成[1-2]。在精細(xì)化學(xué)品的合成過程中約50%以上的關(guān)鍵步驟是氧化反應(yīng)過程，其中約90%以上是催化氧化反應(yīng)過程[3]。例如，烴類選擇性氧化可以得到許多大噸位的有機(jī)化工原料和小噸位的精細(xì)化學(xué)品；醇類選擇性氧化可以得到重要的精細(xì)化工中間體[4-5]。因此，氧化反應(yīng)是精細(xì)化學(xué)品合成不可或缺的步驟。但是傳統(tǒng)間歇式反應(yīng)器應(yīng)用于氧化反應(yīng)存在諸多問題：(1)氧化過程放熱量大、升溫速率快，使用的高錳酸鉀等強(qiáng)氧化劑在加熱、振蕩及與酸反應(yīng)時，易引起火災(zāi)和爆炸等；(2)在高溫?zé)嶂嘏欧磻?yīng)中，反應(yīng)溫度越高，反應(yīng)速率越快，反應(yīng)時間越短，對反應(yīng)過程傳質(zhì)、傳熱的控制就越差；(3)對反應(yīng)過程的放熱和混合速率的控制效果差，常出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象，導(dǎo)致過度氧化；(4)無法連續(xù)長時間運行，嚴(yán)重限制了工業(yè)化生產(chǎn)[6-11]。因此,急需開發(fā)一種能提高氧化反應(yīng)效率和安全性的新工藝、新設(shè)備[12-14]。

1989年出現(xiàn)了第一臺微反應(yīng)器，其應(yīng)用潛力受到廣泛關(guān)注。微反應(yīng)器是直徑為10～1 000 μm的管道式反應(yīng)器，由混合器、換熱器、反應(yīng)器、控制器等組成[15-17]。與間歇式反應(yīng)器相比，微反應(yīng)器的優(yōu)勢在于：(1)反應(yīng)系統(tǒng)是呈模塊結(jié)構(gòu)的并行系統(tǒng)，反應(yīng)器尺寸小，操作性強(qiáng)，能最大程度減小事故危害程度；(2)微通道的比表面積可達(dá)10 000～50 000 m2·m-3，傳質(zhì)、傳熱效率高，反應(yīng)速率在毫秒級，能避免因反應(yīng)時間過長而產(chǎn)生不穩(wěn)定的副產(chǎn)物；(3)換熱效率極高，可以精確控制物料溫度，有效避免局部過熱；(4)由于反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)是連續(xù)流動反應(yīng)，可以通過增加微通道的數(shù)量達(dá)到常規(guī)反應(yīng)器的生產(chǎn)規(guī)模[18-27]。因此，微反應(yīng)器可以實現(xiàn)大型反應(yīng)器很難或不可能完成的化學(xué)反應(yīng)[28-30]。

近幾十年來，微反應(yīng)器被廣泛用于精細(xì)化學(xué)品的合成，并取得了長足進(jìn)展。作者在此對微反應(yīng)器在精細(xì)化工領(lǐng)域氧化反應(yīng)中的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述，包括烷烴氧化、烯烴氧化、醇氧化、醛酮氧化、芳香族化合物氧化、胺氧化等，以期為微反應(yīng)器的更廣泛應(yīng)用提供幫助。

1 烷烴氧化

烷烴被氧化后可得到醇、醛、酮和酸。烷烴氧化是生產(chǎn)有機(jī)化工產(chǎn)品和精細(xì)化學(xué)品的重要工業(yè)過程[31-32]。但是傳統(tǒng)烷烴氧化過程存在傳質(zhì)及傳熱效果差、轉(zhuǎn)化率低、產(chǎn)率低、反應(yīng)條件較苛刻等缺點[33]，微反應(yīng)器的出現(xiàn)為烷烴氧化提供了一條新途徑。

Willms等[34]開發(fā)了一種微反應(yīng)器模塊化設(shè)備，使用長度可變且可替換的毛細(xì)管(長100 m、內(nèi)徑1 mm)作為單個反應(yīng)器，在一定流速、溫度(75～165 ℃)和壓力(25～100 bar)下，以液體異丁烷和氧氣為原料制備過氧化氫叔丁醇(TBHP)。模塊化結(jié)構(gòu)微反應(yīng)器解決了傳統(tǒng)間歇式反應(yīng)器無法連續(xù)生產(chǎn)、不適用反應(yīng)條件苛刻且存在爆炸隱患工藝的問題，使得TBHP的制備過程可以在毛細(xì)管反應(yīng)器中完成；在停留時間為4 h時，異丁烷轉(zhuǎn)化率達(dá)到5%，TBHP 選擇性為60%。

Hofmann等[35]將工業(yè)磷酸氧釩(VPO)催化劑填充至微反應(yīng)器中，應(yīng)用于正丁烷氧化制備馬來酸酐(式1)。結(jié)果表明，當(dāng)微反應(yīng)器狹縫寬度為1.5 mm、反應(yīng)溫度為410 ℃、反應(yīng)時間為48 h時，正丁烷轉(zhuǎn)化率為88%，馬來酸酐選擇性為63%，而且在正丁烷入口體積分?jǐn)?shù)高達(dá)4.5%時，微反應(yīng)器仍可以實現(xiàn)幾乎等溫的操作；當(dāng)微反應(yīng)器狹縫寬度增至3.0 mm時，反應(yīng)熱顯著增加，熱點溫差(熱點值與鹽浴溫度420 ℃的差值)未超過298 ℃，較工業(yè)多管式反應(yīng)器減小了約80%。證明了微反應(yīng)器對于這種典型的高放熱、非均相催化氣相氧化反應(yīng)具有較大的應(yīng)用潛力。

(1)

Pieber等[36]以加壓空氣為氧化劑、碳酸丙烯酯為綠色溶劑、三氯化鐵為催化劑，在微反應(yīng)器中進(jìn)行氣液連續(xù)流動氧化2-芐基吡啶制備2-芳?；拎ぁＴ谌然F物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為5%、溫度為200 ℃、停留時間為13 min時，2-芐基吡啶轉(zhuǎn)化率為99%，2-芳?；拎みx擇性為81%。該方法優(yōu)勢：(1)高溫高壓條件極大地增強(qiáng)了三氯化鐵的催化作用，不需要大量的催化劑即可獲得良好的催化效果；(2)實現(xiàn)了連續(xù)高效生產(chǎn)酮，反應(yīng)時間從數(shù)小時顯著縮短到數(shù)分鐘；(3)加壓空氣代替高純氧氣作為氧化劑，降低了生產(chǎn)成本。

Gutmann等[37]以溴化鈷為催化劑，以過氧化氫或空氣代替高錳酸鹽、鉻酸、重鉻酸鉀或硝酸等作為氧化劑，在微反應(yīng)器中氧化乙苯制備苯乙酮和苯乙酸。研究發(fā)現(xiàn)，過氧化氫氧化引發(fā)乙苯發(fā)生C-H 氧化，快速生成乙苯過氧化氫、苯乙酮等混合物；在反應(yīng)溫度為110～120 ℃、反應(yīng)時間為6～7 min、壓力為12 bar時，苯乙酮的選擇性基本實現(xiàn)100%，產(chǎn)率為66%；當(dāng)反應(yīng)溫度升至150 ℃、反應(yīng)時間延長至16 min時，最終產(chǎn)物為苯乙酸，產(chǎn)率為71%。

2 烯烴氧化

烯烴在不同條件下氧化得到醇、醛、酮、酸和環(huán)氧化合物，其中環(huán)烯烴的氧化反應(yīng)是在C=C鍵上加入一個氧原子，形成一個含氧原子的三環(huán)化合物。烯烴氧化是均相催化反應(yīng)的重要工業(yè)過程，其中芳香基烯烴氧化產(chǎn)物是非常重要的有機(jī)合成中間體，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、染料、香料等領(lǐng)域[38-39]。

己二酸的傳統(tǒng)合成工藝需兩步氧化，即環(huán)己烷氧化得環(huán)己酮和環(huán)己醇的混合物，再經(jīng)硝酸氧化得己二酸。該工藝雖然成本低，但使用硝酸作為氧化劑會產(chǎn)生大量氮氧化物(N2O)。Shang等[40]以環(huán)己烯和過氧化氫為原料，以Na2WO4·2H2O為催化劑，無溶劑條件下在填充床微反應(yīng)器中合成己二酸(式2)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加適量硫酸可穩(wěn)定過氧化氫，加速水解，并形成更活躍的氧化催化劑，己二酸產(chǎn)率在20 min內(nèi)可達(dá)到50%，相比間歇式反應(yīng)器，反應(yīng)時間縮短了約96%。該方法也證實了微反應(yīng)器在直接氧化反應(yīng)中具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

(2)

Ley課題組[41]利用不銹鋼盤管(30 mL)微反應(yīng)器，以(MeCN)2PdCl2(5 mol%)和CuCl2(5 mol%)為催化劑，以分子氧(20 bar)為氧化劑，開發(fā)了一種高效連續(xù)流氧化4-甲氧基苯乙烯合成4-甲氧基苯乙醛的方法(式3)。結(jié)果顯示，在60 ℃、25 bar、停留時間為1 h的條件下，4-甲氧基苯乙烯轉(zhuǎn)化率達(dá)83%，4-甲氧基苯乙醛產(chǎn)率達(dá)74%，且副產(chǎn)物少。

(3)

驅(qū)蛔素是一種天然的雙環(huán)單萜烯，也是著名的驅(qū)蟲化合物之一，具有抗瘧、抗癌和殺線蟲活性，也被用作有機(jī)合成中間體。然而，驅(qū)蛔素?zé)岱€(wěn)定性差，且光化學(xué)效率隨其濃度的增加而降低，從而阻礙了其大規(guī)模生產(chǎn)。Shvydkiv等[42]通過對工藝參數(shù)的優(yōu)化，在膜微反應(yīng)器中成功進(jìn)行了α-萜烯的光氧化反應(yīng)(式4)，可合成選擇性高達(dá)89%的驅(qū)蛔素，合成速率為2.5～3.2 mol·L-1·h-1。膜微反應(yīng)器具有高效光透性的溶液薄膜，避免了大量含氧產(chǎn)品的生成，實現(xiàn)了潛在危險化學(xué)品的可控生產(chǎn)。

(4)

Park等[43]在兩個連續(xù)流反應(yīng)器中進(jìn)行了單萜類化合物(α-蒎烯、β-蒎烯、δ-檸檬烯、α-萜烯)的光氧化反應(yīng)。在聚醚醚酮(PEEK)樹脂微反應(yīng)器(內(nèi)徑0.5 mm，體積26 μL)中進(jìn)行反應(yīng)條件探索，在聚四氟乙烯(AF-2400)管式微反應(yīng)器(內(nèi)徑0.6 mm，體積7.92 mL)中進(jìn)行放大實驗。發(fā)現(xiàn)以自然光代替鎢絲燈、LED燈作為光源，β-蒎烯(0.5 mol·L-1)、亞甲基藍(lán)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%)與氧氣合并，以分段流動狀態(tài)通入PEEK樹脂微反應(yīng)器(圖1)，其日產(chǎn)量是間歇式反應(yīng)器的270倍。

圖1 在PEEK樹脂微反應(yīng)器中催化氧化β-蒎烯Fig.1 Catalytic oxidation of β-pinenein in PEEK resin microreactor

3 醇氧化

醇氧化在精細(xì)化工領(lǐng)域有著不可忽視的地位，其氧化產(chǎn)物醛或酮廣泛應(yīng)用于藥物、涂料、食品添加劑等領(lǐng)域。但是醛、酮化學(xué)性質(zhì)活潑，在合成過程中容易發(fā)生過度氧化生成酸進(jìn)而發(fā)生酯化或羥醛縮合等副反應(yīng)，使得醇氧化的大規(guī)模應(yīng)用受到限制。微反應(yīng)器可以精準(zhǔn)調(diào)控停留時間，使得醇氧化的選擇性大大提高，而且規(guī)模小、安全性高、可以強(qiáng)化傳質(zhì)及傳熱，在以分子氧和過氧化氫為氧化劑的液相氧化反應(yīng)中得到廣泛應(yīng)用。

Vanoye等[44]以銅鹽和2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧化物(TEMPO)為共催化劑，利用微反應(yīng)器催化氧化苯甲醇合成苯甲醛(圖2)。在內(nèi)徑為1.6 mm、長2.6 m的PFA毛細(xì)管中，以乙腈為溶劑、Cu/TEMPO為催化劑，在室溫和5 bar氧氣的條件下，苯甲醇轉(zhuǎn)化率在5 min內(nèi)可達(dá)70%；同時還改進(jìn)了以Cu(Ⅱ)為銅源的催化體系，在微反應(yīng)器中實現(xiàn)了安全高效氧化苯甲醇。

圖2 催化氧化苯甲醇合成苯甲醛Fig.2 Synthesis of benzaldehyde by catalytic oxidation of benzyl alcohol

微反應(yīng)器的使用提高了苯甲醇的轉(zhuǎn)化率，但是Cu/TEMPO催化劑的成本過高。因此，工業(yè)生產(chǎn)更青睞于使用廉價的均相催化劑(如金屬溴化物)。Yue課題組[45]在聚四氟乙烯微反應(yīng)器中進(jìn)行了均相催化劑Co/Mn/Br 催化氧化苯甲醇合成苯甲醛(式5)。以乙酸為溶劑，在 150 ℃、5 bar空氣條件下，苯甲醛產(chǎn)率在18 s內(nèi)可達(dá)到85.6%；同時對氣液兩相在微反應(yīng)器中的流動模型進(jìn)行了探究：根據(jù)氣泡的產(chǎn)生速度和長度，觀察到濕潤或脫濕的彈狀流，其特征是氣泡周圍有完全或部分濕潤的液膜；驗證了在溫度高于90 ℃時，濕段塞流和脫段塞流下產(chǎn)率基本沒有差異。

(5)

Swern氧化反應(yīng)是用二甲基亞砜作氧化劑將醇氧化成醛或酮的反應(yīng)，是將羥基轉(zhuǎn)化成羰基的常用方法，在有機(jī)合成中被廣泛應(yīng)用。當(dāng)反應(yīng)溫度高于-20 ℃時，中間體二甲基氯锍鹽會發(fā)生部分分解，所以Swern氧化反應(yīng)溫度一般在-50～-70 ℃范圍，但是間歇式反應(yīng)器對溫度控制不好便會有副產(chǎn)物產(chǎn)生[46-47]。

Zhu等[48]以草酰氯為活化劑，在連續(xù)流微反應(yīng)器中通過Swern氧化反應(yīng)氧化苯甲醇合成苯甲醛。先將二甲基亞砜和草酰氯經(jīng)過T型混合器混合，再將混合后的溶液與苯甲醇經(jīng)過Y型混合器混合后進(jìn)入1.5 m長的微反應(yīng)器。在甲醇、草酰氯和苯甲醇的物質(zhì)的量比為4∶2∶1、二甲基亞砜流速為1.5 mL·min-1、反應(yīng)溫度為15 ℃、常壓條件下，苯甲醛產(chǎn)率高達(dá)84.7%，選擇性達(dá)98.5%。由于微反應(yīng)器單位時間處理量小、換熱高效，使得苯甲醇Swern氧化反應(yīng)可在5～19 ℃下進(jìn)行，為常溫進(jìn)行Swern氧化反應(yīng)提供了新途徑，且反應(yīng)速率和安全性得以控制。

Kawaguchi等[49]利用三氟乙酸酐活化二甲基亞砜進(jìn)行苯甲醇Swern氧化反應(yīng)合成苯甲醛(式6)。先將二甲基亞砜與三氟乙酸酐混合，然后與苯甲醇混合，再用三乙胺處理，得到苯甲醛。在20 ℃、停留時間為2.4 s時，確保了高度不穩(wěn)定的中間體在分解前可以非?？焖俚剞D(zhuǎn)移到下一個反應(yīng)器，苯甲醇轉(zhuǎn)化率高達(dá)97%，苯甲醛產(chǎn)率高達(dá)91%；繼續(xù)擴(kuò)大試驗，在20 ℃下連續(xù)反應(yīng)3 h，發(fā)現(xiàn)苯甲醇轉(zhuǎn)化率和苯甲醛產(chǎn)率不變。

(6)

Cao等[50]在硅玻璃填充床微反應(yīng)器(MPBR)中填充Au-Pd/TiO2催化劑，在無溶劑的情況下用純氧氧化苯甲醇合成苯甲醛。結(jié)果表明，苯甲醇轉(zhuǎn)化率隨溫度和氧氣壓力的升高而升高;而苯甲醛選擇性隨溫度的升高而降低，隨氧氣壓力的升高而升高。在120 ℃、5 bar氧氣下，苯甲醇轉(zhuǎn)化率達(dá)95%，苯甲醛選擇性為78%。但是，氧氣在高溫條件下與有機(jī)蒸汽直接混合存在爆炸風(fēng)險，從而限制了其工業(yè)化生產(chǎn)。Greene等[51]利用廉價的、耐高溫高壓的、有氧滲透性的聚四氟乙烯管作反應(yīng)器，開發(fā)了一種“管殼式”膜微反應(yīng)器，避免了有機(jī)蒸汽與氧氣直接混合，但是苯甲醇在反應(yīng)器中要停留約1 h才能被完全氧化，催化劑活性較低。

Wu等[52]將質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的Au-Pd/TiO2催化劑顆粒填入半滲透性聚四氟乙烯(AF-2400)管式微反應(yīng)器的半滲透管中，研究了苯甲醇催化氧化合成苯甲醛。這種半滲透管式微反應(yīng)器有氣液兩條通道，氧氣在反應(yīng)過程中可以連續(xù)滲透，使得催化劑床中的氧氣濃度較氧氣預(yù)飽和進(jìn)料的非滲透反應(yīng)器中的高2個數(shù)量級，進(jìn)而提高苯甲醇轉(zhuǎn)化率。

4 醛酮氧化

醛和酮是一類重要的有機(jī)化合物，在精細(xì)化工領(lǐng)域占據(jù)重要地位。但是醛不穩(wěn)定，易被進(jìn)一步氧化成羧酸；而酮難以被氧化，只有在強(qiáng)氧化條件下羧基兩側(cè)的鍵才斷裂生成小分子羧酸。

Vanoye課題組[53-55]以Mn(Ⅱ)鹽為催化劑，采用連續(xù)流微反應(yīng)器，在室溫、5 bar氧氣條件下研究了2-乙基己醛催化氧化合成2-乙基己酸(式7)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，以0.01%Mn(Ⅱ)鹽為催化劑、2%2-乙基己酸鈉為添加劑、停留時間為6 min時，2-乙基己醛轉(zhuǎn)化率達(dá)98%，2-乙基己酸選擇性達(dá)98%。其工藝流程如圖3所示。

(7)

圖3 室溫下2-乙基己醛催化氧化合成2-乙基己酸的工藝流程Fig.3 Synthesis of 2-ethylhexanoic acid by catalytic oxidation of 2-ethylhexanal at room temperature

Hommes等[56]首次在聚四氟乙烯毛細(xì)管微反應(yīng)器中以5-羥甲基糠醛(HMF)為原料、醋酸為溶劑、空氣或純氧為氧化劑、Co/Mn/Br為催化劑，均相催化氧化合成2,5-二甲酰呋喃(DFF)、5-甲酰呋喃甲酸(FFCA)和2,5-呋喃二甲酸(FDCA)(式8)。結(jié)果表明，以純氧為氣相的微反應(yīng)器中，在150 ℃、5 bar氧氣、停留時間為2.73 min時，HMF轉(zhuǎn)化率為 99.2%，DFF、FFCA、FDCA 的產(chǎn)率分別為22.9%、46.7%、23.8%；總體選擇性從常壓下(需加入乙醛作為共氧化劑)的5%～15%提高到60%～94%，實現(xiàn)了微反應(yīng)器高效合成FDCA。微反應(yīng)器中傳質(zhì)限制少，可作為一種潛在的過程強(qiáng)化工具，但是，流動相中出現(xiàn)沉淀會導(dǎo)致毛細(xì)管道堵塞。

(8)

5 芳香族化合物氧化

氧化反應(yīng)可以將芳香族化合物轉(zhuǎn)化為醛、酮、酸、環(huán)氧化合物和過氧化合物等，是精細(xì)化工領(lǐng)域核心技術(shù)，用于生產(chǎn)中間體和特種精細(xì)化學(xué)品。由于芳香族化合物C-H的鍵能較大，氧化反應(yīng)存在條件苛刻、能耗高、轉(zhuǎn)化率低、選擇性差和污染大等問題。微反應(yīng)器為其提供了一條綠色安全新途徑[57-58]。

Schmid課題組[59]以2-羥基聯(lián)苯-3-單加氧酶(HbpA)為生物催化劑，同時添加甲酸脫氫酶(FDH)以確保輔助因子NADH的再生循環(huán)，在連續(xù)分段流管式微反應(yīng)器(TiTR)中進(jìn)行2-羥基聯(lián)苯的酶催化氧化合成3-苯基鄰苯二酚，合成速率可達(dá)14.5 g·L-1·h-1。

亞砜化合物是重要的醫(yī)藥、農(nóng)藥中間體，可通過選擇性氧化得到，該方法雖然綠色安全，仍存在過度氧化的問題。在傳統(tǒng)的間歇式反應(yīng)器中，過氧化氫和苯硫醚需要3 min才能完全轉(zhuǎn)化，產(chǎn)物中亞砜占82%，過氧化砜占15%。Noguchi等[60]在不銹鋼毛細(xì)管微反應(yīng)器(內(nèi)徑1 mm，體積730 mL)中，提前用一個T型混合器將30%過氧化氫和苯硫醚混合，在停留時間為2.12 s、未添加催化劑的情況下，亞砜產(chǎn)率可高達(dá)97%(式9)。

(9)

苯酚是醫(yī)藥、農(nóng)藥的重要中間體和生產(chǎn)原料，可由異丙烯過氧化氫工藝合成，但存在中間體熱穩(wěn)定性差、副反應(yīng)多等問題[61]。Su課題組[62]以2,3-二氯-5,6-二氰基對苯醌(DDQ)為氧化劑、乙腈為溶劑，用藍(lán)色LED燈作為環(huán)保光源，在毛細(xì)管微反應(yīng)器中實現(xiàn)了苯轉(zhuǎn)化為苯酚的連續(xù)流動光氧化。在室溫、乙腈∶苯∶DDQ為12∶1∶1.5(物質(zhì)的量比)、苯濃度為30 mmol·L-1、停留時間為60 min的最佳條件下，苯酚產(chǎn)率可達(dá)94%，選擇性超過99%，較間歇式反應(yīng)器光氧化顯著提高，且反應(yīng)時間顯著縮短。

6 胺氧化

胺氧化可得到多種含氮化合物，如肟、亞胺、腈、酰胺、氧化胺和偶氮化合物等，含氮化合物是重要的精細(xì)化學(xué)品，在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中應(yīng)用廣泛[63-64]。廢氣中的微量氧氣會導(dǎo)致活性胺氧化降解，使得胺氧化效果不佳[65]。目前，關(guān)于胺氧化的報道不多[66]。

Jensen課題組[67]在螺旋通道的硅和耐熱玻璃組成的微反應(yīng)器(230 μL)中，以30%過氧化氫溶液為氧化劑，在不使用任何催化劑或其它試劑的情況下，研究了各種芳醛與仲胺的直接氧化酰胺化反應(yīng)(式10)。結(jié)果表明，在80～110 ℃，芳醛可以在20～40 min內(nèi)轉(zhuǎn)化為酰胺，產(chǎn)率達(dá)到79%～92%。其反應(yīng)裝置如圖4所示。該方法同樣適用于無外消旋的手性氨基酸衍生物的?；磻?yīng)。

(10)

圖4 芳醛與仲胺直接氧化酰胺化反應(yīng)裝置Fig.4 Experimental setup for direct oxidative amidation of aldehydes with secondary amines

Zhu課題組[68]開發(fā)了一種毛細(xì)管微反應(yīng)器的連續(xù)工藝，將2-巰基苯并噻唑(MBT)溶解在過量的環(huán)己胺中，再與氧氣在氣液分段流動的毛細(xì)管微反應(yīng)器(內(nèi)徑0.6 mm或2 mm，長度5～18 m)中進(jìn)行反應(yīng)，得到N-環(huán)己基-2-苯并噻唑次磺酰胺(CBS)(式11)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，以一水合乙酸銅[Cu(CH3COO)2·H2O]為均相催化劑時，反應(yīng)時間從4 h縮短到3～5 min，產(chǎn)率為85%～87%；氧氣的使用明顯減少了過度氧化的副產(chǎn)物。

(11)

Baumeister等[69]在可以周期性變窄的不銹鋼管式微反應(yīng)器中，利用過氧化氫氧化N-甲基嗎啉，并在二氧化碳催化下合成N-甲基嗎啉氧化物(式12)。在反應(yīng)溫度為60 ℃、二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、停留時間為13.9 min時，轉(zhuǎn)化率高達(dá)98%，產(chǎn)率高達(dá)93.5%，反應(yīng)時間較傳統(tǒng)間歇式反應(yīng)器(20 h)顯著縮短。

(12)

7 氧化脫氫偶聯(lián)

氧化脫氫偶聯(lián)是指一個X-H鍵(X：碳或雜原子)與一個Y-H鍵(Y：碳或雜原子)直接結(jié)合構(gòu)建新的X-Y鍵[70-71]。氧化脫氫反應(yīng)一般在高溫條件下進(jìn)行，并且是放熱反應(yīng)[72]，因此，傳統(tǒng)氧化脫氫工藝受熱力學(xué)限制，存在能耗高的缺點。

No?l課題組[73]在毛細(xì)管微反應(yīng)器中實現(xiàn)了吲哚的Heck交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)(式13)，吲哚與2,2,2-三氟丙烯酸乙酯之間的偶聯(lián)在10 min的停留時間內(nèi)即可完成，得到純度為82%的吲哚偶聯(lián)產(chǎn)物。這是因為，氣體和液體在毛細(xì)管道中分段流動，使得氣相與液相的接觸面積變大，高表面體積比有效防止了催化劑降解及管道堵塞；毛細(xì)管微反應(yīng)器對傳質(zhì)和傳熱的高度控制使得反應(yīng)時間從幾小時縮短到幾分鐘。

(13)

Nguyen等[74]和Cheng課題組[75]以聚乙烯醇(PVA)溶液為粘合劑將催化劑涂在金屬-陶瓷復(fù)合基底上，研究了填充床微反應(yīng)器中乙烷氧化脫氫合成乙烯(圖5)。在420 ℃、1.0 atm氧氣下，乙烷轉(zhuǎn)化率達(dá)60%，乙烯選擇性達(dá)85%；傳統(tǒng)的固定床反應(yīng)器需要約5倍體積才能達(dá)到與微反應(yīng)器相同的產(chǎn)率。

圖5 乙烷氧化脫氫合成乙烯示意圖[75]Fig.5 Schematic diagram for synthesis of ethylene by oxidative dehydrogenation of ethane[75]

Zhou等[76]利用膜分散來提高萃取效率，以實現(xiàn)高效合成5-羥甲基糠醛(HMF)(式14)。將平均孔徑為5 μm的微濾膜置于混合器和橫流通道之間，使得分散相流體形成大量液滴，1 s內(nèi)即可與連續(xù)相流體均勻混合，反應(yīng)時間從傳統(tǒng)攪拌反應(yīng)器的60 min縮短到微反應(yīng)器的4 min，HMF選擇性更高，萃取效率接近100%，產(chǎn)率為93%，是傳統(tǒng)反應(yīng)器的1 000倍。

(14)

8 結(jié)語

微反應(yīng)器應(yīng)用于氧化反應(yīng)，不僅可以提高反應(yīng)的選擇性，縮短反應(yīng)時間，而且可以實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，在精細(xì)化工領(lǐng)域發(fā)展空間較大。微反應(yīng)器中的氧化反應(yīng)基本上以氧氣或過氧化氫為氧化劑，可以減少副產(chǎn)物，是非常理想、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)發(fā)展的綠色反應(yīng)。然而，微反應(yīng)器技術(shù)仍面臨許多困難和挑戰(zhàn)，特別是對多相流動、微反應(yīng)器通道內(nèi) “縮放效應(yīng)”(包括入口效應(yīng)、共軛傳熱、非均勻流動分布等)的探究相對較少；微反應(yīng)器中氧化反應(yīng)的動力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)等理論體系還未得到優(yōu)化。