連續微反應加氫技術在有機合成中的應用

姜友林 許曉春

摘要：在微反應連續加氫技術應用過程中，能夠讓有機合成中氣液固相界面接觸面積增加，并促使傳質過程被強化，保證催化劑得到最大限度的利用。微反應連續加氫優勢較多，可以有效減少加氫反應時間和反應器體積，因此在很多領域應用極為廣泛。本文先概述了連續流加氫反應器，并探討了連續微反應加氫技術在有機合成中的具體應用。

關鍵詞：連續微反應加氫技術;有機合成

在有機合成中經常遇到加氫反應，這種反應類型若是選用間歇加氫釜，則無法保證反應的效率，操作也非常繁瑣，存在一定的安全隱患。現在借助連續加氫微反應器，以非均相催化加氫反應方式進行，可以有效提高傳質性能，為催化劑回收利用和產物純化帶來了便利。該技術可以保證較高的生產效率，有效降低貴金屬催化劑損失，因而研究與應用價值巨大。

1.連續流加氫反應器概述

1.1連續流加氫反應器特點

對連續加氫反應來說，一般是把固體催化劑在反應器中進行固定，讓氣液混合物持續不間斷通過反應器，保證與催化劑接觸更加充分，這樣不僅反應速率將實現提升，催化劑回收也更加簡單。因為催化劑固定形式存在差異，主要包括填充式微反應和壁載式微反應器等類型。此外，還可以將催化劑粉末懸浮在加氫底物中形成液體漿料，液體漿料與氫氣混合通過微反應器后完成加氫過程，這種漿料式微反應器也是應用較多的一種連續流反應器。

1.2常見連續流加強反應器類型

對填充式微反應器來說，通過填充顆粒催化劑后進行固定，能夠實現非均相催化加氫反應。這種類型的反應器入口位置一般設置了氣液混合裝置，利用泵送氣液混合物流過固定催化劑的方法，為氣液固三相接觸創造條件，傳質過程將得到強化，非均相反應的反應速率將得到強化。這種方法是有機合成中常用的技術路線，催化劑固定簡單，也便于更換，有利于操作。此外，因為相流比較復雜，存在壓降大、放大困難等情況。在溫度控制過程中，能夠讓裝置在高壓條件下順利運行，反應器材質為不銹鋼。

對壁載式微反應器來說，催化劑利用壁載的形式在反應器內壁進行固定，氣液混合物流過反應器內部，與催化劑接觸完成加氫反應。這種方法具有流動簡單、壓降小以及易于放大等優點，同時需要解決單位體積催化劑濃度不高，且催化劑失活后無法更換等困難。可以利用金屬催化劑粉末，采取壁載的方式負載在玻璃板上，制成加氫反應器，能夠提高氣液固三相傳質效果。當停留時間為2min和處于室溫反應環境中，借助Pd催化劑能夠完成碳碳雙鍵與碳碳三鍵的高效選擇加氫，收率將達到97%。這種裝置的缺點是金屬催化劑極易流失，將催化劑壁載在氣相色譜毛細管中，有利于解決上述問題，同時可以增加毛細管柱數量，能夠達到生產放大的目的。還可以通過金屬3D打印的方式，建立復雜靜態混合器，并在靜態混合器表面負載貴金屬催化劑，反應器中單位體積催化劑濃度將實現提升，并獲得更好的加氫效果。

2.連續微反應加氫技術在有機合成中的具體應用

2.1烯烴加氫

烯烴類物質加氫實現較易，是一種有著重要意義的反映類型，高效且高選擇性的烯烴催化加氫價值極大。當前在烯烴加氫反應過程中，經常用到連續流反應器，這是因為環己烯結構很簡單，是這類加氫反應的底物。特別是通過壁載毛細管反應器解決三相傳質阻力后，將Pd/Al2O3用于催化劑，可以提高環己烯加氫反應的速率，停留時間最多為12s，且收率為99%。此外，在使用連續流反應器的過程中，如果催化劑選用Pd/TiO2，在進行催化加氫環己烯的過程中，也能獲得相似結果，單位活性在單位時間內轉化的反應物的量（TOF）為1131h-1。

2.2醛類物質氫化

通過還原醛類化合物獲得目標醇，這種方法被廣泛用于化學化工領域，在酮基等其他還原性基團存在的基礎上，對醛基采取選擇性還原方式，是當前研究的重點內容[1]。在微填充床反應器內填充制備的負載在兩親性樹脂上的ARP-Pt催化劑，在22s的停留時間內，能夠完成對多種含酮基的醛類化合物的高選擇性加氫。在肉桂醛的選擇性催化加氫中，設計壁載有190mg12%（質量）Pt/SiO2催化劑涂層的連續流反應器，能夠避免形成氫化肉桂醛和氫化肉桂醇，并定向獲得所需的肉桂醇。這樣不僅能夠保證轉化率達到98.8%，也具有超過90%的選擇性。與間歇式反應器不同，當溫度壓力、催化劑用量一樣的條件下，工作時間超過110h后，發揮這種壁載型反應器的作用，與間歇式反應器相比，其肉桂醇產量將提高7.5倍，可見在醇類物質選擇性加氫方面，連續流反應器應用優勢巨大。

2.3硝基加氫

在藥物、除草劑和塑料工業等領域，功能化苯胺類物質屬于常見的中間體，一般通過硝基化合物直接加氫獲得。若是有其他還原性官能團，如何快速并高選擇性的還原硝基，研究價值極大，而借助連續流加氫裝置，將在硝基快速氫化方面表現出加大優勢。以H-Cube反應器為例，常壓下通過雷尼鎳催化劑能夠完成具有多種N-Bn結構的硝基吡咯烷的加氫，將達到至少90%的選擇性[2]。此外，通過Pd/C催化劑能夠對硝基進行連續加氫，可以得到抗腫瘤藥物的前體藥物，將獲得81%的選擇性。對H-Cube反應器來說，能夠在硝基類物質2分鐘停留時間內快速氫化，可見該反應器在硝基加氫中反應速率較高，優勢也很明顯。

3.結語

總之，利用連續加氫反應器，可以增加氣液固三相接觸面積，減少了傳質距離，能夠第一時間將系統的產物移除，防止加氫存在過度現象后形成其他的副產物。相比于間歇式反應器，連續加氫反應器的加氫性能更好。在應用連續加氫技術的過程中，對所用固體催化劑與H2為氫供體而言，并非均相催化，有利于回收利用催化劑，為產物提純分離創造有利條件，能夠滿足綠色化學的要求。

參考文獻

[1]婁鋒炎，尹佳濱，段笑南，王祁寧，艾寧，張吉松.連續微反應加氫技術在脫保護反應中的應用[J].化工學報，2021，72（02）：761-771.

[2]屠佳成，桑樂，艾寧，徐建鴻，張吉松.連續微反應加氫技術在有機合成中的研究進展[J].化工學報，2019，70（10）：3859-3868.