微反应器在液相反应中的应用及展望-汶颢股份
首页 > 技术资讯 > 技术学院

微反应器在液相反应中的应用及展望

20世纪90年代以来,微型化学反应设备因其具有结构简单、无放大效应、操作条件易控制和安全可靠等优点,已引起众多学者的研究兴趣。微型反应器通常是指其内部流体通道或分散空间尺度在微米量级的微结构化学反应器

在这种反应器中,由于反应体系的传质和传热过程获得极大改进,因而可使化学反应过程获得更高的转化率和收率。按微结构不同,微反应器可分为微通道式、毛细管式、降膜式、多股并流式、微孔列阵式和膜分散式。其中使用最广泛的是微通道式反应器对毛细管微反应器,可通过改变毛细管长度来调节反应物的停留时间而降膜式微反应器和多股并流式微反应器只在局部获得微米级的分散和混合尺度的情况下才适合大通量反应因微孔阵列式和膜分散式微反应器是在一个常规尺度混合通道内集成了众多微孔结构,所以可高效地完成均相流体的混合和非均相流体的分散过程这些微反应器均可通过增加外场作用进一步强化反应过程

1液相反应

微反应系统很适合需高传热传质效率、易产生副反应、化学反应速率快的液相反应。与气相相比,由于液体的黏度比气体高许多,若要进行高通量反应,就需要较高的压差。

.1硝化反应

由于硝化是易爆和放热的反应,其传质传热过程就成为硝化反应的主要控制参数,因而很适合在微反应器中进行。前期的研究主要集中在萘甲苯及苯和苯的衍生物的硝化反应。Antes等用N2O5为硝化剂,研究了萘在微反应器中的硝化反应。在常规反应器中,硝化反应需要维持低温;而在微反应器中温度可高达50℃,N2O5浓度可过量8倍。Burns和Ramshaw研究了不同黏度(2~20cm/s)和温度(60和90℃)下苯的硝化反应。研究表明,随H2SO4浓度增大,反应速率可明显提高,副产物二硝基苯的含量也明显降低。在甲苯的硝化中,产物中二硝基甲苯的含量提高很大。当H2SO4浓度为80%时,二硝基甲苯的转化率随酸/有机相体积比升高而增大。在相同反应速率下,微反应器中副产物含量比现有工业设备中降低很多。由于N,N二烷基尿素的硝化产物被广泛用作增塑剂,Antes等研究了它在微通道反应器中的硝化,结果发现,单硝基尿素衍生物产率可高达100%。Knapkiewicz等研究了2异丙氧基苯甲醛在硅玻璃微反应器中的硝化反应,2异丙氧基5硝基苯甲醛的产率从常规反应器中的38%提高到87%,产量达到13g/h。Chen等在微反应器中一步法合成了地乐酚除草剂,与常规两步法操作相比,反应过程中省去了分离中间的操作,同时减少了溶剂的使用。在数秒的停留时间下,N(1乙基丙基)3,4二甲基2,6二硝基苯胺的转化率可达100%,选择性可达97%。

1.2酯化反应

生物柴油为混合脂肪酸的甲酯,在常规反应器中由脂肪酸甘油酯和甲醇经酯交换生成。Haswell等在硼硅酸盐玻璃微反应器中研究了一系列羧酸酯化反应,分别合成了乙酰甘氨酸的乙酯和苯基酯,转化率从91%提高至100%。张利雄等将一定比例的油酸、低碳醇及无机碱催化剂的混合物注入到微通道反应器中,在常压和20~65℃下进行酯化反应。当微通道内径为0.12.0mm时,在常压和90~170℃下,控制停留时间为5~60min,脂肪酸酯产率可高达97.1%。当硝酸和异辛醇按1∶1进料,反应温度控制在35℃以下,液体空速为4000h-1时,生成的硝酸异辛酯纯度可达99.5%,收率达到99.1%。而在三颈瓶中进行上述反应时,硝酸异辛酯的纯度虽可达99.3%,但收率仅为96.5%(加添加剂)。

1.3酶催化反应

由于酶能够在常温常压下催化反应,并且具有较高的选择性,因而越来越多的研究者运用酶来催化反应,例如苯酚的生物催化氧化Maruyama等在两相流微通道反应器中进行了漆酶催化的p氯酚降解反应。通过增加接触面,提高了p氯酚的转化率。Belder等在微反应器中用环氧化物水解酶突变体将环氧丙基苯基乙醚催化水解成了相应的二醇,转化率从常规反应器中的22.0%提高到43.0%,目标化合物的含量在49%~95%之间。Kanno等[30]在PMMA微反应器中,在37℃下,将p硝基苯半乳糖皮蒽定量水解为D半乳糖,并且反应速率是常规反应器的5倍多。

1.4相转移催化反应

相转移催化是一种常用的加速两液相间反应的方法Hisamoto等在微反应器中制备反应结束后,产物溶解在有机相里,而非有机相溶解在水相里。AhmedOmer等将分段流、相转移催化剂和超声技术结合起来,考察了乙酸对硝基苯酯的水解反应。随着反应中加入相转移催化剂Bu4NHSO4,反应速率加快。Kitamori等以乙基酮环戊羧酸酯与溴苄的烷基化反应为模型,研究了微反应器中的两相反应。当反应温度为常温,流速为1.μL/min时,烷基化产率可达96.0%,而在常规反应器中,产率只有49%。

1.5聚合反应

聚合过程通常采用悬浮或者乳化聚合。在悬浮聚合中,通过加入表面活性剂,将单体分散到水相中。Nakashima等用膜乳化微反应设备完成了一系列聚合反应。

由于反应器壁上的积垢会抑制链反应的进行,因而Bayer等以丙烯酸酯的自由基聚合反应为例,研究了如何提高单体和引发剂之间的均化作用。在反应温度150℃,压力1.6kPa,流量6~8kg/h和停留时间为40min的条件下,在微混合器中可很好地完成聚合。由于强化了单体和引发剂之间的混合,未出现相对分子质量超过6×104的产物,从而可防止堵塞管状反应器。在常规聚合器中,控制聚合物的平均相对分子质量和相对分子质量分布常是个难题。而在微混合器中则能快速混合和更好地控制快速反应,因而反应结果明显比常规反应器好。考虑到微反应系统的特殊优点,TakeshiHonda等选取NCA的聚合为模型反应,研究了在微反应器中制备聚合产物的特点,证明微反应器中生成的聚合物相对分子质量分布较窄。

1.6氧化反应

Kraut等在微反应器中以Fe(NO3)3为催化剂,H2O2为氧化剂,将乙醇氧化成乙酸。在反应器进口温度为70~115℃,压力为0.3~0.5kPa,停留时间为3s条件下,乙醇的转化率可达99%,乙酸的选择性也可达99%,时空转换率为常规反应器的700多倍。

此外,Kawaguchi研究了微反应器中一系列的MoffatSwern反应,当三氟醋酸酐作为DMSO的引发剂时,反应温度为0℃,停留时间为0.01s的转化率可达90%,环己烯酮的收率可达89%。

Mikami等研究发现纳米流动系统可使BaeyerVilliger氧化的区域选择性得到增强。将Sc3和2甲基环己烯酮的混合液以及30%的过氧化氢溶液分别从2个入口加入到混合器中,在停留时间为8.1s,流速为100nL/min的情况下,2甲基环己烯酮的转化率高达91.0%,区域选择性更高达100%;而在常规反应器中,2甲基环己烯酮的转化率只有28%,区域选择性反为69%。

Stevens等尝试了酮在微反应器中的BaylisHillman氧化重排反应,当反应物流速为1.4mL/min,停留时间为118min时,生成的酯产率可达82%,采用止流法可使产率增加到95%(停留时间为590min)。

此外,用微通道反应器能明显提高过氧乙酸1,2环己二醇甲乙酮过氧化物不稳定的过氧化羧酸和叔丁基过氧化新戊酸酯等的合成产率和选择性。

1.7烷基化反应

Worz等以二取代甲胺为原料,研究了芳香族衍生物在微通道反应器中的甲基化反应。虽然与常规反应器中产率相同95%,但反应温度却可由-70℃(分批操作)提高到微反应器中的0℃,反应时间由15min缩短为6s。Lu等在硅硼酸盐玻璃微反应器中合成了一系列同位素标记化合物。当反应流速为1.μL/min时,产物平均收率RCY可达88.0%。由羧酸甲基化制备苯二氮受体的配体时,在优化反应条件下(流速为1.μL/min)产物平均收率(RCY)可达65.0%。由于1,3,5三甲氧基苯的选择性亲电取代反应是个放热反应,反应热易造成多烷基化反应,因而在常规反应器中二烷基化产物可占46%。反应温度由常规反应器中-10℃降低到-78℃时,单烷基化产物的产率由常规反应器30.0%提高到了92.0%,二烷基化产物含量则由18%降至4%Kitamori等研究了乙基酮环戊羧酸酯和溴苄在微反应器中的烷基化反应,产率由常规反应器中的49%提高至96%。

1.8加成反应

Nagaki等在微反应器中研究了芳基锂及其衍生物与草酸二烷基的反应,在使用1∶1快速混合后,原料转化率由常规反应的83%提高到98%。Wiles等在微反应器中以一系列1,3二酮为原料,用有机碱催化制备烯醇化物,随后烯醇化合物和一些michel受体反应,生成1.4加成产物。通过使用止流法,转化率由15%提高至34%。当将停留时间延长到10s时,其转化率可高达100%。hessel等和koch等以氯化苯镁和三甲基硼酸为原料,考察了在4种微反应器中通过格氏加成反应来制备苯硼酸的反应。最佳结果如表1所列。

表1苯硼酸在4种反应器中的参数比较

表1苯硼酸在4种反应器中的参数比较 

为了除去合成烯胺过程中产生的水,通常需要高沸点溶剂和高温。但在硼硅酸盐玻璃微反应器中,当反应温度为25℃,停留时间为20min时,原料的转化率可达42%。此外,微反应器也被广泛应用于有机锂试剂加成格氏反应羟甲基吲哚制备异戊烯和α对甲基苯乙烯的环加成dielsAlder反应仲胺和α,β不饱和羰基化合物(氰基)的加成二乙基丙二酸酯和c60富勒烯的环加成等反应中。

1.9缩合反应

多肽和多肽类物质正被广泛应用于制药工业,多肽合成方法是很多制药企业致力开发领域。watts等在电动学控制条件下,在微反应器中进行了多肽的合成研究。当使用5倍量的DCC,且采用止流法时,多肽产率可达93%(表2)。

表2微反应器和常规反应器在多肽缩合反应中的应用

表2微反应器和常规反应器在多肽缩合反应中的应用 

非均相催化已被广泛应用于精细化学品和药物的合成,在常规反应器中需对反应混合物进行催化剂的后处理,而在微反应器中使用固载催化剂,则可省略此操作。Greenway等在硼硅酸盐玻璃微反应器中研究了在常温、停留时间为6s情况下的连续Suzuki反应,产率可达68%;而在常规反应器中分批操作时,反应时间长达8h,产率仅为60%。

Salini Mososavi等在电渗流微反应器中进行了重氮化反应,wootton等研究了在流体动力学控制下,在微反应器中的相似反应。Hisamoto等在玻璃微反应器中用相转移催化剂催化合成了偶氮化合物。在使用玻璃微反应器,停留时间为2.3s的情况下,转化率可达100%,而在普通的玻璃搅拌容器中,反应10min的转化率仅为80%。

此外,微反应器已广泛用于Kumada Corriu反应Aldol合成Hantzsch反应Sonnogashira缩合Suzuki Miyaura缩合Paal Knorr反应Mozoki Heck反应Witting反应Knoerenagel反应Baylis Hillman反应和Henmetberger Knittel反应等。

文献来源应用化学DOI:10.3724/SP.J.1095.2013.20617作者:何伟 方正等(文章有部分删减转载仅供参考学习及传递有用信息,版权归原作者所有,如侵犯权益,请联系删除)