基于微通道技術(shù)合成鄰氟苯酚

嚴(yán)澤華，何星帥，劉聽說，阮浩華，尹凱,2

(1.浙江吉泰新材料股份有限公司，浙江 紹興 312369；2.浙江南郊化學(xué)有限公司，浙江 紹興 312369)

鄰氟苯酚是一種重要中間體，在工業(yè)、醫(yī)藥和農(nóng)藥、食品等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊[1-2]。鄰氟苯酚的合成主要有苯酚低溫氟化法、鄰氟溴苯水解法、鄰氟苯胺重氮水解法。其中鄰氟苯胺重氮水解常用方法是以鄰氟苯胺為原料，基于釜式重氮和水解，得到鄰氟苯酚，該方法操作控制不簡便，收率只有75%，不利于工業(yè)化生產(chǎn)[3]。基于此，本文用康寧微通道反應(yīng)代替釜式反應(yīng)，基于康寧微通道反應(yīng)技術(shù)(Corning Microchannel Reactor，CMR)[4-12]，將鄰氟苯酚、硫酸等多種反應(yīng)物分別進(jìn)入微通道，利用溫度、濃度和傳質(zhì)速率的良好平衡減少中心變量的梯度，通過微通道內(nèi)壁的化學(xué)反應(yīng)促進(jìn)反應(yīng)物之間的反應(yīng)，實現(xiàn)高速流動下高效傳質(zhì)和反應(yīng)，減少反應(yīng)時間和副反應(yīng)產(chǎn)物生成，提高反應(yīng)物利用率和產(chǎn)物產(chǎn)率。微通道反應(yīng)合成鄰氟苯酚的主要優(yōu)點：⑴免除了水解打底硫酸，硫酸用量大幅減少；⑵提高了生產(chǎn)效率，能耗大幅下降；⑶相比傳統(tǒng)釜式工藝，收率明顯提高。

鄰氟苯酚微通道反應(yīng)機(jī)理為鄰氟苯胺與硫酸成鹽，鹽與亞硝酸鈉反應(yīng)合成重氮鹽，重氮鹽在酸性條件下加熱水解得到鄰氟苯酚，反應(yīng)原理如圖1。

圖1 鄰氟苯酚微通道反應(yīng)原理

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

鄰氟苯胺(AR，浙江吉泰新材料股份有限公司)；亞硝酸鈉(AR，河南卓海實業(yè)有限公司)；硫酸(AR，浙江龍盛集團(tuán)股份有限公司)；無水合硫酸銅(AR，上海展云化工有限公司)。

康寧微反應(yīng)器G1 碳硅，KP-22-33DC 柱塞泵(流量范圍0～50 mL，PTFE)，HC-G1-B-2T 康寧加熱冷卻動態(tài)溫控系統(tǒng)(康寧反應(yīng)器技術(shù)中心)；C6010-Ti柱塞泵(流量范圍0～100 mL，鈦，江蘇漢邦科技有限公司)；GC9790Ⅱ氣相色譜儀(浙江福立分析儀器股份有限公司)；世偉洛克1/4PFA 連接卡套，連接管。

1.2 微通道實驗工藝圖

圖2 康寧G1 SIC 模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3 康寧微通道G1 SIC 外部結(jié)構(gòu)

康寧微通道模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及外觀結(jié)構(gòu)見圖2、3。

圖4 微通道簡易流程圖

1.3 微通道實驗過程

1.3.1 實驗準(zhǔn)備

配制60%硫酸溶液2 000 mL，配制30%亞硝酸鈉溶液1 000 mL，配制10.75%硫酸銅溶液2 000 mL，調(diào)試進(jìn)樣泵。

1.3.2 實驗過程

設(shè)置一溫區(qū)60 ℃，二溫區(qū)180 ℃，打開三溫區(qū)的循環(huán)水，待溫度升到設(shè)置溫度后，同時開啟柱塞泵1，60%硫酸流量設(shè)置33.8 mL/min 和柱塞泵2，鄰氟苯胺流量5.0 mL/min，待成鹽物料流至板塊2 時，打開柱塞泵3，30%亞硝酸鈉溶液流量設(shè)置10.8 mL/min，同時打開柱塞泵4，10%硫酸銅水溶液流量設(shè)置16.6 mL/min，出口物料用二氯甲烷萃取分層，下層黃色有機(jī)層旋蒸得到鄰氟苯酚粗品，含量97.6%，水分為1.0%左右，收率90.0%。

1.3.3 產(chǎn)品的精餾

將旋蒸得到的粗品，在-0.1 Mpa 下減壓精餾，取沸程64～65 ℃產(chǎn)品，得到含量99.9%鄰氟苯酚。

1.3.4 產(chǎn)品分析

產(chǎn)物沸點171～172 ℃/741 mmHg，純度≥99.5%，水分≤0.5%，密度1.256 g/mL(25 ℃)。產(chǎn)物經(jīng)氣相色譜分析出現(xiàn)一單峰，與標(biāo)樣鄰氟苯酚出峰時間一致，1H NMR 在δ6.7 呈現(xiàn)1 個多重峰，與鄰氟苯酚結(jié)構(gòu)一致。

2 結(jié)果與討論

2.1 重氮反應(yīng)溫度與水解溫度對反應(yīng)收率的影響

鄰氟苯胺與硫酸成鹽溫度可影響反應(yīng)能否進(jìn)行，成鹽溫度過低會導(dǎo)致反應(yīng)液中產(chǎn)生固體，堵塞微通道，而溫度太高會導(dǎo)致收率降低，故成鹽時最佳溫度為60 ℃(表1)。重氮反應(yīng)溫度對反應(yīng)有重要影響，溫度過高，會導(dǎo)致重氮液分解，進(jìn)而產(chǎn)生耦合雜質(zhì)；溫度過低，重氮反應(yīng)速度慢，進(jìn)而增大了停留時間，能耗增大，產(chǎn)能減小，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。水解反應(yīng)溫度影響對反應(yīng)也至關(guān)重要，溫度過低，不發(fā)生水解，溫度過高會使產(chǎn)品結(jié)焦，設(shè)備負(fù)擔(dān)增大。綜合以上因素，重氮反應(yīng)溫度最佳為60 ℃，水解溫度最佳為185 ℃。

表1 成鹽、重氮化和水解反應(yīng)溫度對收率的影響

2.2 重氮停留時間對收率的影響

理論上來說，重氮反應(yīng)的停留時間對反應(yīng)的影響很大。停留時間過小，反應(yīng)的流量變大，會導(dǎo)致重氮反應(yīng)不完全，從而水解時收率降低，另外流量過大也會使微通道前端壓力過大，造成超壓漏液，不利于反應(yīng)；停留時間過大導(dǎo)致流量過小，從而使水解時產(chǎn)生氮氣減小，無法即時帶出物料，導(dǎo)致收率也會變低，綜合以上考慮，最佳停留時間為32.7 s(表2)。

2.3 硫酸當(dāng)量對收率的影響

對于重氮化反應(yīng)，理論上硫酸與鄰氟苯胺的摩爾比為2∶1，但在微通道反應(yīng)中實際需要更多的酸。一方面，過量酸可以阻止偶合反應(yīng)的發(fā)生，又可以加快反應(yīng)的速率，減少停留時間，另一方面，由于是微通道反應(yīng)，過量酸能有較低溫度澄清反應(yīng)液，更利于反應(yīng)進(jìn)行。因此本實驗在保證停留時間和溫度一樣的情況下，進(jìn)行了一系列重氮反應(yīng)，最終得出最佳酸胺摩爾比為6∶1(表3)。

表2 重氮停留時間對反應(yīng)收率影響

表3 硫酸當(dāng)量對反應(yīng)影響

2.4 水解時硫酸濃度對反應(yīng)影響

酸濃度對重氮液的水解反應(yīng)的影響很大，釜式反應(yīng)中酸的濃度決定了水解溫度，溫度又決定了水解速率。該反應(yīng)水解速率比較重要，如果水解速率較慢，容易生成二聚體等副反應(yīng)。微通道的水解溫度雖然不取決于酸濃度，但影響也很大(表4)，酸濃度過高在水解溫度下有可能會碳化反應(yīng)產(chǎn)物及副反應(yīng)的產(chǎn)生，酸濃度過低會造成水解液氣化，造成微通道壓力過高導(dǎo)致漏液。綜合以上因素，在加入硫酸銅量相同的情況下，通過柱塞泵4 向板塊5 中通入一定量體積水來調(diào)節(jié)酸度，進(jìn)行一系列硫酸濃度實驗，得出最佳硫酸濃度為40%左右。

表4 酸濃度對水解影響

2.5 硫酸銅用量對水解反應(yīng)影響

在重氮液的水解反應(yīng)中，發(fā)現(xiàn)鄰氟苯胺重氮鹽的水解如果在不加催化劑硫酸銅的情況下，幾乎沒有收率。催化劑硫酸銅的主要作用是促進(jìn)水解反應(yīng)，且還有抑制副反應(yīng)產(chǎn)生的作用，故本實驗主要觀察硫酸銅的量對水解收率的影響(表5)，通過控制其他因素一致，改變硫酸銅用量來研究該反應(yīng)。綜合收率和經(jīng)濟(jì)性，得出最佳硫酸銅用量為原料鄰氟苯胺質(zhì)量的10%。

表5 硫酸銅用量對水解影響

3 結(jié)論

根據(jù)康寧微通道實驗結(jié)果，按照最優(yōu)實驗條件進(jìn)行平行實驗，最后得到鄰氟苯酚粗品含量為97.5%～98.5%，粗品平均收率達(dá)90.0%。最終確定該實驗最佳實驗條件為硫酸與鄰氟苯胺當(dāng)量為6∶1，重氮反應(yīng)溫度60 ℃，水解溫度185 ℃，催化劑硫酸銅用量為原料鄰氟苯胺質(zhì)量的10%，重氮液水解時硫酸含量為40%左右。按照康寧G1 碳化硅微反應(yīng)器具體柱塞泵數(shù)據(jù)為Q60%硫酸=33.8 mL/min 和Q鄰氟苯胺=5.0 mL/min，Q 30%亞硝酸鈉溶液=10.8 mL/min，Q 10%硫酸銅水溶液=16.6 mL/min。該方法合成收率高，產(chǎn)能高，且安全環(huán)保，更具有工業(yè)化價值。