• 案例展示

    氧化反應在連續流微通道反應器中的應用

    2024-03-14 15:06:12

    氧化反應是現代化學(xué)之中的重要組成,在有機合成之中更是有著(zhù)不可或缺的地位,現有的氧化工藝多以間歇操作為主,工藝較為復雜,并且常常伴隨著(zhù)火災、爆炸等安全風(fēng)險,由于操作不當造成的反應失控現象時(shí)常發(fā)生。連續流微通道反應器是上世紀九十年代被首次提出的連續流化學(xué)中的一種重要反應器,與傳統的間歇式反應不同,微通道使物料在連續流動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行反應,其優(yōu)秀的安全系數、極高的傳質(zhì)傳熱效率也使得它進(jìn)入更多人的視野。

    微反應技術(shù)已成為一種越來(lái)越流行的高效、安全地進(jìn)行危險反應的方法。目前,微通道反應器已應用于多種危險反應,包括硝化反應、氫化反應、重氮化反應、氧化反應、聚合反應、重排反應等。氧化反應是最常用的單元反應之一,用于制備酚、醇、醛、酮、羧酸和酸酐等含氧化合物,在精細有機合成生產(chǎn)和研究中占有十分重要的地位。濃硫酸氧化需要加入適當催化劑,但要求有機原料和氧化產(chǎn)物在反應條件下有足夠的穩定性。微通道反應器的特征尺寸在10-1000之間,不僅將比表面積增大了100-1000倍,還將反應風(fēng)險降到了最低。微通道反應器可以實(shí)現連續化制備,提高生產(chǎn)效率,同時(shí)減少占地面積,減小反應風(fēng)險,節約投資成本。連續流微通道反應器滿(mǎn)足了穩定流動(dòng)和傳質(zhì)要求,有足夠的傳熱面積,能夠及時(shí)移走氧化反應釋放的巨大熱量,精確控制反應溫度,縮短反應時(shí)間。

    氧化反應

    氧化反應在自然界中具有根本的重要性,也是有機合成中的關(guān)鍵轉化。氧化反應廣泛用于化學(xué)工業(yè),使用各種氧化劑,從分子氧到過(guò)氧化氫,再到四氧化鋨。使用無(wú)痕氣態(tài)試劑而不是化學(xué)品,可以通過(guò)減少純化過(guò)程中的廢物來(lái)開(kāi)發(fā)更環(huán)保的工藝,因為可以輕松地從反應中去除多余的氣體。氧化反應在有機化合物的合成中很重要,因為這些反應會(huì )產(chǎn)生新的官能團或修飾分子中現有的官能團。然而,與自由基中間體的自氧化和其他反應通常表現出低化學(xué)和區域選擇性?;瘜W(xué)計量的金屬氧化劑,如 KMnO 4 或 K2 CrO 4產(chǎn)生大量廢物。

    用分子氧氧化

    分子氧的使用最大限度地減少了化學(xué)廢物,產(chǎn)生的唯一最終副產(chǎn)品是水。O 2直接氧化有機底物很少見(jiàn),因為電子從有機底物轉移到氧化劑的能壘通常很高。對于具有三重基態(tài)的分子氧,這種高能壘是保護有機化合物免受破壞性氧化的自然方式。使用分子氧的缺點(diǎn)之一是難以防止原料過(guò)度氧化。流動(dòng)化學(xué)中精確的停留時(shí)間控制使化學(xué)家能夠使用最便宜的氧化劑來(lái)管理選擇性氧化反應。

    氧化反應在化學(xué)合成具有非常重要的地位。氧氣資源豐富,氧化活性高,可以減少后續的分離和純化過(guò)程而深受喜愛(ài)。但氧氣的高活性會(huì )在工業(yè)化生產(chǎn)中造成反應難于控制,進(jìn)而造成安全事故;而且氧化反應在工藝放大過(guò)程中,也存在很多問(wèn)題,故國家安監局把氧化反應納入18類(lèi)重點(diǎn)監管危險反應中。

    談起氧化,化學(xué)上有很多氧化劑,包括高錳酸鉀(KMnO4 ),鉻酸,硝酸等等,然而這些化合物都對環(huán)境有巨大的污染,廢物處理十分麻煩。

    所謂綠色化學(xué),就是原子的利用效率最高,沒(méi)有副產(chǎn)品。隨著(zhù)市場(chǎng)競爭的加劇、環(huán)保的壓力,尋找潔凈的氧化劑,包括氧氣和雙氧水,則非常有利。然而氧氣是助燃物,在傳統釜式反應的應用中受到相當的限制,一是腐蝕性,二是安全性受到了巨大的挑戰。

    氧化反應是最常用的單元反應之一,用于制備酚、醇、醛、酮、羧酸和酸酐等含氧化合物,在精細有機合成生產(chǎn)和研究中占有十分重要的地位。濃硫酸氧化需要加入適當催化劑,但要求有機原料和氧化產(chǎn)物在反應條件下有足夠的穩定性。微通道反應器滿(mǎn)足了穩定流動(dòng)和傳質(zhì)要求,有足夠的傳熱面積,能夠及時(shí)移走氧化反應釋放的巨大熱量,精確控制反應溫度,縮短反應時(shí)間。

    微通道反應器,反應物持液量低、傳質(zhì)效果好、換熱面積大等優(yōu)勢為氧氣直接氧化提供了可能。微通道反應器不但具有優(yōu)異的傳質(zhì)和換熱的特性,而且能直接對小試工藝進(jìn)行放大而沒(méi)有放大效應。

    氧化模塊

    目前已開(kāi)發(fā)出許多技術(shù)和方案以在流動(dòng)中進(jìn)行氧化反應,以解決與使用有毒,易燃和/或爆炸性氧化試劑有關(guān)的實(shí)際和化學(xué)挑戰。盡管存在使用非均相氧化劑的例子,但大多數氧化模塊可分為兩類(lèi)氧化模塊。在氣/液組件中使用氧氣,在液/液系統中使用可溶性氧化劑,后者還涵蓋單相氧化。

    用分子氧進(jìn)行氣液氧化(三重態(tài))。 分子氧代表綠色,無(wú)痕,分布廣泛,是一種極好的氧化劑。但是,由于大量易燃溶劑和氣體一起使用,在批處理系統中使用存在潛在的危險。當使用氧氣以增加氣體在溶劑中的溶解度時(shí)對反應器加壓也是有利的。在流動(dòng)中,這些問(wèn)題很容易解決,從而創(chuàng )建了具有出色混合和傳質(zhì)能力的系統。下面展示的是這類(lèi)流動(dòng)反應器的兩種設置,它們具有互補的優(yōu)勢,其區別在于輸送氧氣的方式不同。


    以氯化鐵(III)的芐基氧化程序為例,使用氧氣,使用T混合器創(chuàng  )建雙相氣液系統

    圖為以氯化鐵(III)的芐基氧化程序為例,使用氧氣,使用T混合器創(chuàng )建雙相氣液系統

    使用氧氣,通過(guò)套管式反應器輸送,展示了苯乙烯轉化為醛的過(guò)程

    圖為使用氧氣,通過(guò)套管式反應器輸送,展示了苯乙烯轉化為醛的過(guò)程

    氧化:使用液相氧化劑和超聲?。ňG色方框),以避免因氧化副產(chǎn)物而產(chǎn)生的沉淀物聚集。

    氧化:使用液相氧化劑和超聲?。ňG色方框),以避免因氧化副產(chǎn)物而產(chǎn)生的沉淀物聚集。

    還原:使用管式反應器中的管子輸送的氫氣和經(jīng)由填充床反應器的催化劑(發(fā)生還原的位置)。

    反應系統-還原:使用管式反應器中的管子輸送的氫氣和經(jīng)由填充床反應器的催化劑(發(fā)生還原的位置)

    還原:通過(guò)電解水使用原位產(chǎn)生的氫氣,在壓力下生成飽和溶液,該溶液通過(guò)裝有催化劑的填充床反應器

    反應系統-還原:通過(guò)電解水使用原位產(chǎn)生的氫氣,在壓力下生成飽和溶液,該溶液通過(guò)裝有催化劑的填充床反應器

    還原:使用氫化物將酯類(lèi)化合物均勻地部分還原為醛類(lèi)。藍色框對應于變壓器的冷卻部

    反應系統-還原:使用氫化物將酯類(lèi)化合物均勻地部分還原為醛類(lèi)。藍色框對應于變壓器的冷卻部分。

    連續流微通道反應器在硝化反應中應用特點(diǎn)及案例

    氧氣或空氣直接氧化甲基吡啶的連續流工藝

    甲基吡啶是重要的醫藥合成中間體,特別是3-吡啶甲酸被稱(chēng)為Vitamin B3 是人體不可缺少的營(yíng)養素。以前報道的合成方法中,反應時(shí)間長(cháng),操作條件苛刻而且使用金屬催化劑。

    氧氣或空氣直接氧化甲基吡啶的連續流工藝

    使用微通道反應器,無(wú)需金屬催化,對于底物3-甲基吡啶,2.5 bar氧氣壓力,室溫下1分鐘就可以得到3-吡啶甲酸,收率可達100%。

    氧氣或空氣直接氧化甲基吡啶的連續流工藝

          Tempo氧化反應

    四甲基哌啶氮氧化物TEMPO在化學(xué)、生物學(xué)、食品工業(yè)、農業(yè)等領(lǐng)域都有較為廣泛的應用。它具有捕獲自由基、猝滅單線(xiàn)態(tài)氧和選擇性氧化等功能。在有機合成中用作各種醇和多元醇類(lèi)氧化反應的催化劑,用于將伯醇氧化為醛,具高選擇性,不再氧化至羧酸;將仲醇氧化為酮。

    Tempo氧化反應是一個(gè)液液非均相反應,對反應器的傳質(zhì)要求高,這就造成釜式反應收率低。

     Tempo氧化反應

    上圖中的反應,使用微通道反應器,停留時(shí)間15秒,收率可達96%。

    Swern氧化反應

    Swern氧化是一種低溫溫和的氧化反應類(lèi)型,溫度低反應快,中間體穩定時(shí)間很短,很容易異構化, 放大過(guò)程容易引起中間體分解, 目前只適合于實(shí)驗室反應。

    環(huán)己醇Swern氧化反應,停留時(shí)間8.31秒,收率可達91%。

     Tempo氧化反應

    Swern氧化反應在微通道反應器中的優(yōu)勢:

       極短的停留時(shí)間,總停留時(shí)間不超過(guò)10S;

       極低的能耗,較低溫度就能進(jìn)行反應,解決了放大和能耗問(wèn)題;

       更好的選擇性,雖然反應溫度提高,但是反應選擇性依然得到了提升;

       可以解決工業(yè)放大問(wèn)題。

    光催化氧化反應

    Liège大學(xué)的Jean-Christophe M. Monbaliu教授和康寧歐洲技術(shù)中心的研究人員一起于2017年7月11日在“Organic Process Research & Development”發(fā)表了可放大的蛋氨酸亞砜光催化連續流反應的結果。

    光催化氧化反應

    蛋氨酸亞砜的合成及其他α-松油烯、香茅醇的結構示意圖

    使用光化學(xué)反應器進(jìn)行光催化氧化反應,在光敏劑Rose Bengal(RB)同時(shí)結合在線(xiàn)NMR進(jìn)行在線(xiàn)檢測,快速進(jìn)行反應參數的篩選。

    雙氧水氧化反應

    雙氧水是一種強氧化劑,高濃度雙氧水不穩定,儲存和運輸皆易發(fā)生危險。在連續流工藝中,可邊生產(chǎn)邊消耗,避免儲存和運輸帶來(lái)的危險。雙氧水是極好的氧化劑,清潔、無(wú)副產(chǎn)物。在合成中有著(zhù)廣泛的應用。

    光催化氧化反應

    該反應在連續流反應器中,停留時(shí)間2.6分鐘,收率99%。

    光催化氧化反應

    雙氧水氧化硫謎成亞砜,停留時(shí)間2.12秒,收率97%。

    將甲基氧化成酸(Chem.Commun., 2012,48,2086-2088)

    取代的吡啶衍生物是許多藥物分子的重要前體,特別重要的是3-吡啶甲酸,被稱(chēng)為維生素B3,是人類(lèi)必不可少的營(yíng)養物質(zhì)。以前報道的合成方法需要較長(cháng)的反應時(shí)間或使用苛刻的操作條件和試劑,例如使用金屬催化劑而且收率也不高。

    甲基氧化成酸

    實(shí)驗結果:

    甲基氧化成酸

    采用連續流微反應器使用純氧進(jìn)行氧化, 在室溫下,2.5bar和5分鐘的停留時(shí)間內獲得大于95%的收率。反應停留時(shí)間的減少是由于微反應器的良好傳質(zhì)性能及過(guò)量氧氣的使用增強了的氣–液傳質(zhì)從而達到完全的轉化。

    甲基氧化成酸,無(wú)論在醫藥還是在農藥方面都有很多重要的應用。使用Co類(lèi)催化劑,使用氧氣氧化,一些底物的轉化率和選擇性都達到99.5%以上。

    將雙鍵氧化成環(huán)氧(Beilstein Journal of Organic Chemistry, 2009, 5 No.27)

    雙鍵氧化成環(huán)氧

    實(shí)驗結果:

    雙鍵氧化成環(huán)氧

    從實(shí)驗結果來(lái)看,對于絕大部分底物的選擇性都很好。部分選擇性和轉化率都大于99%。

    使用氧氣將亞甲基氧化成酮

    氧氣將亞甲基氧化成酮

    使用Co和配體做成催化劑,一步法就可以將原料變成產(chǎn)品,選擇性達到95%以上,安全,環(huán)保,有效。

    水合肼和氧氣在連續流條件下選擇性還原合成氫可酮中間體8, 14-二氫蒂巴因 (Org. Process Res. Dev., 2016, 20 (2), pp 376–385)

    氫可酮是高價(jià)值的活性藥物成分(API),氫可酮為半合成的麻醉、鎮痛和鎮咳藥物,具有和可待因特性相似的多種活性,這些作用大多數和中樞神經(jīng)系統及平滑肌有關(guān)。也就是說(shuō)它是可以用來(lái)止痛的一種麻醉藥。

    最經(jīng)濟有效的方法是使用高度不穩定的氧化還原劑水合肼(N2H4 H2O和O2),但該化合物不穩定,在釜式反應中存在爆炸的巨大危險,傳統路線(xiàn)在工業(yè)規模上“被禁止”。

    可強化反應條件的連續流方法讓這個(gè)應用成為可能。連續流過(guò)程高效、安全,可處理危險的不穩定中間體。在工業(yè)過(guò)程中通過(guò)四個(gè)連續的液體分步進(jìn)料實(shí)現,在停留時(shí)間不到1小時(shí)的情況下,得到高選擇性還原的產(chǎn)物。

    水合肼和氧氣在連續流條件下選擇性還原合成氫可酮中間體8, 14-二氫蒂巴因

    作者利用微通道連續流技術(shù)成功開(kāi)發(fā)了用水合肼和氧還原蒂巴因的原位生成酰亞胺的方法,過(guò)程簡(jiǎn)單、可放大。這一簡(jiǎn)單的選擇性氫化的方法因為安全問(wèn)題以前被“禁止”在工業(yè)規模的過(guò)程中使用。連續流過(guò)程能打破這一限制,從而可以充分利用這一原子經(jīng)濟還原過(guò)程的潛力。

    乙烯環(huán)氧化反應

    環(huán)氧乙烷(EO)是石化工業(yè)的重要產(chǎn)品之一,主要用于生產(chǎn)聚酯纖維、聚酯固態(tài)樹(shù)脂和聚酯薄膜等聚酯產(chǎn)品以及汽車(chē)用防凍劑的原料乙二醇,并廣泛用于制造非離子表面活性劑、乙醇胺、乙二醇醚等精細化工產(chǎn)品。全球掌握環(huán)氧乙烷生產(chǎn)技術(shù)的公司主要有:美國科學(xué)設計(SD)公司、殼牌(Shell)公司、(英荷合資)、美國聯(lián)碳(Ucc)公司。全球90%以上的生產(chǎn)能力采用上述三家公司的技術(shù)。研究人員選定乙烯在銀催化作用下生成環(huán)氧乙烷的反應物系來(lái)研究此類(lèi)反應在微反應器中應用的可行性。

    在微反應器中,在沒(méi)有在催化劑中添加催化劑助劑和在原料混合器中添加抑制劑的情況下,乙烯的轉化率和環(huán)氧乙烷的選擇性都非常高。如在溫度230℃,乙烯濃度7.08%下,乙烯轉化率為69.54%,環(huán)氧乙烷選擇性為82.00%,收率為57.02%;當溫度低于230℃時(shí)乙烯轉化率明顯下降,但環(huán)氧乙烷選擇性變化不大,在70~80%之間變化??梢?jiàn)微反應器中環(huán)氧乙烷選擇性高于工業(yè)生產(chǎn)水平,而乙烯單程轉化率也已超過(guò)工業(yè)生產(chǎn)水平。

    微反應器本身的特性也是一個(gè)重要的因素。對于部分氧化反應微反應器能大大縮短反應物的停留時(shí)間,從而大幅度減少了深度氧化的副產(chǎn)物;而對于強放熱反應,微反應器的傳熱特性使得反應能夠及時(shí)轉移熱量,從而減少副反應,提高反應物的選擇性。本實(shí)驗中乙烯環(huán)氧化反應正是強放熱反應。

    在工業(yè)生產(chǎn)中原料氣中乙烯與氧的含量(或者說(shuō)配比)對乙烯氧化反應過(guò)程影響很大,不僅影響到反應的轉化率、原料氣消耗量及反應速率,還會(huì )影響到其他生產(chǎn)設備的能源及動(dòng)力消耗,但其值卻決定于原料混合氣的爆炸極限。乙烯是可燃物質(zhì),它與氧或空氣的混合氣,如其配比在一定范圍內,當溫度高達它們的燃點(diǎn)以上 ,或遇到明火就要燃燒、爆炸,乙烯與空氣混合物的爆炸極限是2.75~28.6% (體積)。

    然而在微反應器中,乙烯與空氣混合物配比完全不為原料混合氣爆炸極限所限制。由于微反應器的反應體積小,傳質(zhì)傳熱速率快,能及時(shí)移走強放熱化學(xué)反應產(chǎn)生的大量熱量,從而避免宏觀(guān)反應器中常見(jiàn)的“飛溫”現象;對于易發(fā)生爆炸的化學(xué)反應,由于微反應器的通道尺寸數量級通常在微米級范圍內,能有效地阻斷鏈式反應,使這一類(lèi)反應能在爆炸極限內穩定地進(jìn)行。從實(shí)驗結果來(lái)看原料混合氣中乙烯的含量變化從百分之幾變化到百分之二十幾,乙烯氧化反應都非常安全,沒(méi)有發(fā)生爆炸反應,也沒(méi)有發(fā)生飛溫現象,微反應器出口溫度變化在整個(gè)過(guò)程中保持恒定,而且環(huán)氧乙烷的選擇性在局部范圍內有隨著(zhù)乙烯濃度增加而增加的趨勢。這充分證明了微反應器所特有的安全性。

    亞硫酸銨氧化反應

    二氧化硫是污染空氣造成酸雨的主要污染物之一,工業(yè)上處理廢氣中的二氧化硫主要有鈣法和氨法。在我國鈣法是拋棄法,產(chǎn)品沒(méi)有再利用價(jià)值。氨法脫硫是一種回收法,本質(zhì)上是利用氨水吸收工業(yè)廢氣中的SO2生成亞硫酸銨,再以亞硫酸銨為基本吸收液循環(huán)吸收SO2。

    從產(chǎn)品回收利用的角度來(lái)說(shuō)亞硫酸銨也能作為肥料,但其在常溫常壓下就不穩定,容易分解,對農作物來(lái)說(shuō)肥效不高。而硫酸銨產(chǎn)品性能穩定,其中含有氮和硫兩種營(yíng)養元素,對農作物生長(cháng)有利,既能單獨作為肥料,也能作為化肥工業(yè)生產(chǎn)復合肥的原料,所以亞硫酸銨(亞銨)氧化制取硫酸銨越來(lái)越受到人們的重視。在氨法煙氣脫硫中,關(guān)鍵環(huán)節就是將副產(chǎn)物的四價(jià)硫S(IV)氧化為六價(jià)硫S(VI),這也是氨法脫硫工藝工業(yè)化的關(guān)鍵。

    亞銨氧化反應在動(dòng)力學(xué)上屬于快速反應,受液體吸收氧氣的動(dòng)力學(xué)過(guò)程控制,與攪拌速度、氧氣分壓以及亞銨濃度有關(guān)。改進(jìn)氧氣與亞銨溶液的氣液接觸形式,強化氣液傳質(zhì)過(guò)程,是提高亞銨氧化反應速率的有效手段。

    -液微反應系統作為微化學(xué)反應體系的重要組成部分,己經(jīng)逐漸引起人們的關(guān)注。研究表明特征尺度為微米級的微通道,其氣-液相界面積較常規尺度氣-液接觸設備(如實(shí)驗室鼓泡塔以及工業(yè)反應器)至少高出1~2個(gè)數量級,極大地強化了氣-液傳質(zhì)過(guò)程。因而,微通道內氣-液兩相傳遞和反應過(guò)程擁有廣闊的發(fā)展前景。


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