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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

引 言

化學(xué)工業(yè)是我國(guó)的經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一，但因?yàn)槠洹案呶廴?、高能耗、高物耗”等?wèn)題仍面臨著發(fā)展與污染的矛盾。在實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰，碳中和”雙碳目標(biāo)的大背景下，迫切需要開(kāi)發(fā)新工藝、新方法、新技術(shù)以降低化工過(guò)程中的能耗物耗從而實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。化工過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)具有節(jié)能環(huán)保、低能耗、集約化的優(yōu)勢(shì)，是解決這一問(wèn)題的重要手段。過(guò)程強(qiáng)化包括設(shè)備強(qiáng)化和方法強(qiáng)化，典型的強(qiáng)化方式包括設(shè)備小型化和過(guò)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(diǎn)[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(dú)特的流動(dòng)與傳質(zhì)特性，強(qiáng)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(guò)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(diǎn)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(xiǎn)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(duì)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(qiáng)放熱快反應(yīng)”過(guò)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(guò)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(xiǎn)，有望實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的高效、綠色和安全。本文將重點(diǎn)介紹近年來(lái)有關(guān)上述幾類反應(yīng)在條件優(yōu)化和過(guò)程強(qiáng)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(guó)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(gè)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?jī)r(jià)值[13-15]。此外，霍夫曼重排反應(yīng)也可以用來(lái)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(shí)，考慮到鹵素試劑的高活性和強(qiáng)腐蝕性，通常采用兩段工藝保證反應(yīng)過(guò)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(guò)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(wèn)題[18-19]。第一，反應(yīng)耗時(shí)長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低。第一階段的低溫反應(yīng)過(guò)程雖然能有效防止由于鹵素試劑的高活性而帶來(lái)的危險(xiǎn)，但導(dǎo)致反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，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(guò)程中需要大量的冷卻水，導(dǎo)致了能耗的提高；長(zhǎng)時(shí)間低溫反應(yīng)也會(huì)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(xiǎn)高。盡管兩步法工藝流程降低了生產(chǎn)過(guò)程的危險(xiǎn)性，但反應(yīng)釜較差的換熱性能仍然導(dǎo)致整個(gè)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(xiǎn)。

微反應(yīng)器技術(shù)可有效解決上述三個(gè)問(wèn)題并展現(xiàn)出高效性和穩(wěn)定性兩大突出優(yōu)勢(shì)。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(gè)數(shù)量級(jí)，在換熱方面的顯著優(yōu)勢(shì)允許采用一步法工藝完成整個(gè)霍夫曼重排過(guò)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(shì)。其次，微尺度下的連續(xù)流動(dòng)過(guò)程對(duì)傳質(zhì)和混合效果有明顯強(qiáng)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(guò)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(guò)優(yōu)化反應(yīng)溫度和停留時(shí)間，產(chǎn)率可達(dá)到95%～96%，反應(yīng)時(shí)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(shí)驗(yàn)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(guò)程是強(qiáng)放熱過(guò)程，反應(yīng)溫度往往低于0℃以確保過(guò)程的安全性，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。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(shí)間等關(guān)鍵因素對(duì)反應(yīng)過(guò)程的影響規(guī)律并對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行了優(yōu)化，在停留時(shí)間為400 s、反應(yīng)溫度為45℃時(shí)，產(chǎn)率可達(dá)到97%。該工藝流程利用微反應(yīng)的強(qiáng)換熱性能保障了高溫下取代反應(yīng)的安全高效進(jìn)行，實(shí)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(tái)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(shí)間為0.5 min 時(shí)，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(guò)熱的情況，就會(huì)導(dǎo)致烷基段發(fā)生取代副反應(yīng)，影響選擇性。在這一過(guò)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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)中碳排放量?jī)糁到档偷哪繕?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(jì)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(diǎn)，然而其反應(yīng)工藝流程的設(shè)計(jì)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(guò)程，這一過(guò)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(shí)長(zhǎng)，且由于壓力過(guò)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(guò)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(xiǎn)。微反應(yīng)器作為合成平臺(tái)，在環(huán)加成反應(yīng)過(guò)程中有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。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(gè)數(shù)量級(jí)以上[29]，能夠有效解決反應(yīng)速度受氣-液傳質(zhì)控制的問(wèn)題。第二，微反應(yīng)器優(yōu)異的混合和傳熱性能可及時(shí)移走反應(yīng)熱，避免產(chǎn)生局部過(guò)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(diǎn)，本課題組[31]采用微反應(yīng)器技術(shù)以綠色無(wú)污染的非金屬基離子液體催化劑對(duì)環(huán)氧丙烷和CO2的環(huán)加成過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，重點(diǎn)優(yōu)化了反應(yīng)條件并揭示了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律。Wu等[32]以微反應(yīng)器為反應(yīng)平臺(tái)，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(guò)程和設(shè)備示意圖如圖3 所示。通過(guò)調(diào)控相比、溫度和壓力等反應(yīng)條件，在僅40 s的停留時(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(lái)揭示CO2環(huán)加成反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)規(guī)律。Wu 等[34]利用微反應(yīng)器平臺(tái)對(duì)上述反應(yīng)的動(dòng)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(jī)理，并指出該反應(yīng)速率與環(huán)氧丙烷濃度、CO2相對(duì)濃度和催化劑的濃度均為線性關(guān)系，得到了表觀動(dòng)力學(xué)方程。此研究結(jié)果可以用來(lái)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(jī)理如圖4所示。也有研究者利用微反應(yīng)器為平臺(tái)，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(wú)鹵素的離子液體催化劑，用微反應(yīng)器平臺(tái)測(cè)量了其催化效果并研究了催化動(dòng)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(kuò)散對(duì)于催化效果的影響，測(cè)量催化過(guò)程的本征動(dòng)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(duì)于CO2環(huán)加成一類的氣-液多相反應(yīng)過(guò)程具有良好的適應(yīng)性，在反應(yīng)條件優(yōu)化，反應(yīng)機(jī)理探索和新反應(yīng)過(guò)程的設(shè)計(jì)方面均有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。

圖4 由[bmim]Br催化的CO2環(huán)加成的可能機(jī)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(huà)[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(diǎn)，當(dāng)溫度升高時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致重氮化/偶合反應(yīng)失控出現(xiàn)爆炸等危險(xiǎn)情況[48]。因此，出于安全考慮，無(wú)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(guò)程的穩(wěn)定可控都相當(dāng)重要。

強(qiáng)換熱能力和高穩(wěn)定性的微反應(yīng)平臺(tái)為解決上述安全問(wèn)題和開(kāi)發(fā)重氮化/重氮偶合反應(yīng)新工藝提供了契機(jī)。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(xiǎn)，又能通過(guò)強(qiáng)化混合效果帶來(lái)更好的產(chǎn)品性能。目前，已經(jīng)有研究者針對(duì)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(guò)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(jiàn)圖5。結(jié)合實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(guò)調(diào)控溫度和反應(yīng)液濃度，在反應(yīng)溫度為25℃，停留時(shí)間為40 s 時(shí)，KD 可達(dá)到99.50%以上的轉(zhuǎn)化率，且產(chǎn)品純度超過(guò)98%。在各類偶氮顏料中，黃色偶氮顏料常常用在印刷過(guò)程的最后一個(gè)步驟，需要高透明度和純度[53]。Wang 等[54]借助微反應(yīng)器對(duì)常用顏料黃14 生產(chǎn)過(guò)程中的重氮化/重氮偶合過(guò)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(guò)程如圖6 所示。除了用于合成偶氮染顏料，微反應(yīng)器對(duì)于其他各類的重氮化/偶合反應(yīng)過(guò)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(tái)實(shí)現(xiàn)了4-硝基苯胺（PNA）重氮化—結(jié)晶—偶合三步連續(xù)過(guò)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(duì)于均相或非均相的各類重氮化/重氮偶合反應(yīng)過(guò)程，微反應(yīng)器技術(shù)都能大大提升反應(yīng)過(guò)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(shí)縮短反應(yīng)所需時(shí)間，相比于傳統(tǒng)的釜式工藝有明顯的優(yōu)勢(shì)。

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(dòng)力學(xué)方面，Wang 等[56]利用微反應(yīng)器為平臺(tái)，研究了重要偶氮顏料前體紅色基KD 的重氮化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，并給出了流-固耦合的傳質(zhì)-反應(yīng)模型，實(shí)驗(yàn)所采用的設(shè)備如圖8所示。利用微反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間和反應(yīng)溫度準(zhǔn)確可調(diào)的特性，可通過(guò)標(biāo)定不同溫度和停留時(shí)間下產(chǎn)生的偶氮顏料的量來(lái)計(jì)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(guò)程迅速，反應(yīng)過(guò)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(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)測(cè)量平臺(tái)。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(shì)，同時(shí)在基礎(chǔ)動(dòng)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(guò)程簡(jiǎn)單，原料易得，成為了最常見(jiàn)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(duì)硫酸催化體系在微反應(yīng)器中的動(dòng)力學(xué)規(guī)律開(kāi)展研究[63]。而在近年來(lái)，由于催化效率高和反應(yīng)時(shí)間短的優(yōu)勢(shì)，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(shì)，但在實(shí)際工藝過(guò)程中還存在如下的問(wèn)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(dòng)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(jì)都需要大量的動(dòng)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(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的測(cè)量平臺(tái)。第二，離子液體催化的反應(yīng)體系本征動(dòng)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(guò)快，過(guò)程中釋放的反應(yīng)熱一旦積累可能導(dǎo)致危險(xiǎn)。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(guò)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(wèn)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(cè)量動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的良好平臺(tái)。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(guò)熱和混合不均勻帶來(lái)的烷基化產(chǎn)品均勻度下降或副反應(yīng)等問(wèn)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(duì)工業(yè)級(jí)α-烯烴的萘烷基化開(kāi)展了相關(guān)工作。Yang 等[66]以工業(yè)級(jí)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(guò)程的研究，此工作的微反應(yīng)系統(tǒng)如圖9 所示。通過(guò)調(diào)控反應(yīng)物的相比和溫度，停留時(shí)間為40 s 時(shí)即可達(dá)到超過(guò)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(qiáng)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(cuò)十字通道的微反應(yīng)器為平臺(tái)，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(duì)于異丁烷/1-丁烯反應(yīng)體系的催化效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果均證明微反應(yīng)器中的強(qiáng)化混合效果提升了主反應(yīng)的選擇性。在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下，在微反應(yīng)器中的停留時(shí)間為81 s時(shí)，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(duì)于同一反應(yīng)過(guò)程，釜式反應(yīng)需耗時(shí)10～15 min，得到產(chǎn)品的辛烷值為92～94[68]。

上述研究表明，針對(duì)各類烷基化反應(yīng)過(guò)程，微反應(yīng)器都能強(qiáng)化混合過(guò)程，縮短反應(yīng)時(shí)間，提升產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)，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(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，用于指導(dǎo)反應(yīng)過(guò)程設(shè)計(jì)。

5 氮氧化反應(yīng)

氮氧化反應(yīng)是通過(guò)強(qiáng)氧化劑氧化含氮雜環(huán)的有機(jī)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(xiǎn)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(chóng)啉、啶蟲(chóng)脒等煙堿類殺蟲(chóng)劑，具有重要的商業(yè)價(jià)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(qiáng)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(xiǎn)。

基于上述原因，本課題組針對(duì)3-甲基吡啶-N-氧化物的合成開(kāi)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(guò)程，示意圖如圖10 所示。研究者設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)應(yīng)的羧酸。在常溫常壓連續(xù)流動(dòng)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(shí)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(guò)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(duì)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(shí)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(dòng)力學(xué)過(guò)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(shì)[75]。

6 結(jié)論與展望

本文綜述了微反應(yīng)器技術(shù)對(duì)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(qiáng)放熱快反應(yīng)”有機(jī)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(duì)各類反應(yīng)進(jìn)行條件優(yōu)化和機(jī)理探索，不僅能夠使得這些典型的危險(xiǎn)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(jī)理，并進(jìn)一步解決此類反應(yīng)生產(chǎn)過(guò)程中的瓶頸問(wèn)題?；谀壳暗难芯窟M(jìn)展，未來(lái)微反應(yīng)器技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該在以下幾個(gè)方面加強(qiáng)研究。

（1）反應(yīng)機(jī)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(dòng)力學(xué)的探究，缺乏對(duì)于反應(yīng)機(jī)理和本征動(dòng)力學(xué)的揭示。通過(guò)對(duì)反應(yīng)機(jī)理和本征動(dòng)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(guò)程強(qiáng)化的優(yōu)化方向。

（2）過(guò)程在線分析技術(shù)的應(yīng)用。隨著各類檢測(cè)手段的發(fā)展，微反應(yīng)器內(nèi)實(shí)時(shí)、可視化檢測(cè)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(cè)技術(shù)，及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取反應(yīng)信息，顯著提高工藝開(kāi)發(fā)的整體效率，還能監(jiān)控反應(yīng)進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)，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(shí)現(xiàn)反應(yīng)過(guò)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(shí)驗(yàn)室階段。微反應(yīng)器經(jīng)過(guò)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(dòng)傳質(zhì)與反應(yīng)規(guī)律也需進(jìn)一步深入探索。