連續流反應技術在偶氮染料及其中間體合成中的研究進展

蘆鵬程，李姚姚，金楠

（煙臺大學化學化工學院，山東 煙臺 264000）

染料行業是我國國民經濟的傳統行業，目前我國已成為全球最大的染料生產國、消費國及出口國，2022年染料產量高達85.6 萬t，占全球的70%[1]。分散染料是聚酯纖維染色唯一適用的染料，并隨著滌綸纖維的大量消耗而發展成為產量和銷量最大的染料類別；2022年我國分散染料產量高達39 萬t，占國內染料產量的45.57%。

偶氮染料是應用最廣泛的一類合成染料，占有機染料產品總量的80%[2]，因具有完整的色譜和高發色強度，成為發展最迅速的分散染料。偶氮染料的分子結構中包含偶氮鍵（Ar-N=N-Ar），結構式見圖1。圖1 中，R1～R3代表H 或吸電子取代基，如硝基、氰基、鹵素等；R4、R5代表H 或給電子取代基，如OR、NHR 等；R6、R7為H 或取代烷基等，取代烷基的取代基為羥基、氰基、芐基、-OCOR 或-COOR 等。

圖1 偶氮分散染料的結構式

目前，偶氮染料的合成主要是通過重氮化和偶合兩步反應完成，首先是將含有活性基的芳胺在低溫環境下和亞硝酸反應制成重氮鹽，然后再和偶合組分進行偶合反應。由于反應為多相（傳遞過程復雜）快速強放熱過程，反應物料不穩定，導致過程選擇性和安全性的控制難度極大。

傳統染料生產大多在間歇釜式反應器內進行，一般采取強力攪拌、低溫操作、控制原料添加速率等措施，促進傳熱、降低反應物濃度與反應速率，以控制溫升和放熱速率，調控反應過程。然而，其固有的間歇動態操作不穩定、混合不均勻、熱/質傳遞速率慢等缺陷，使得反應溫度的精確控制、反應物料按化學計量配比的瞬時混合均勻、產品質量的穩定性等問題一直難以解決，且物料返混嚴重、瞬時持液量大、存在流動死區，尤其溫度升高時，會使重氮鹽發生分解，放出氮氣，釜內壓力升高，安全風險增加。此外，間歇操作方式難以實現自動化，增加了勞動強度和人力成本，易發生物料泄漏、損害人員健康。

連續流反應器作為一種新型反應器，分散效果好、熱/質傳遞效率高、反應器內持液量低、反應參數可控[3-5]，為化學反應過程帶來了很多傳統設備不能實現的優點，已成為綠色化學工程領域的研究熱點。目前，連續流反應器已經成功應用于硝化反應[6]、氧化反應[7]、邁克爾加成反應[8]、氟化反應[9]、加氫反應[10]等領域，在染料合成領域的研究也已有諸多文獻報道。本文就連續流反應器在偶氮染料及其中間體合成的成功案例進行綜述，闡明連續流反應技術所具備的顯著優勢，以及連續流反應技術在未來所面臨的挑戰。

1 偶氮染料及其中間體的連續合成

1.1 芳烴的硝化和胺化反應

芳烴的硝化和胺化反應主要用于合成重氮鹽中間體，是制備偶氮染料中間體的重要反應。此外，硝基在偶氮染料合成中除了作為發色基團外，還可通過還原反應轉變為氨基。

一硝基甲苯（MNT）是重要的染料中間體，其中鄰硝基甲苯用于合成分散紅82，對硝基甲苯用于生產直接黑K 等染料。Yang 等[11]以甲苯與混酸為原料，在碳化硅材質的連續流反應器中開展了MNT 合成的研究。研究發現，混酸中的硫酸質量分數對甲苯硝化的影響最大，其次是硝酸與甲苯的摩爾比、反應溫度和停留時間。在反應溫度為48.8 ℃，停留時間為164.84 s，硫酸質量分數為58.14%的條件下，甲苯和硝酸的摩爾比為1：1.29，甲苯轉化率均在85%以上，MNT 的選擇性為91.55%，MNT 的產量為56.75 g/h，研究結果對連續流反應器中甲苯的硝化特性具有重要意義。MNT 制備反應方程式見Scheme 1，實驗裝置示意圖見圖2。

Scheme 1 MNT 制備反應方程式[11]

圖2 MNT 制備實驗裝置示意圖[11]

Ankit 等[12]以對硝基苯甲醚為原料，采用反應通道內徑為1 mm 的反應器，經硝化-氨解兩步合成苦基胺（Scheme 2）。其中，第一步硝化反應生成苦味酸，反應停留時間為2.5 min，收率高達90%；第二步氨解反應生成苦基胺，反應停留時間為1.0 min，收率可達98%。該工藝優化后在實驗室連續流動反應器中達到了25 g/h 的生產速率，HPLC 純度達到99%。該技術更安全，可擴展，可用于商業規模生產偶氮染料，如偶氮黃、偶氮紅、偶氮橙。

Scheme 2 連續流合成苦基胺[12]

1,3,5 -三甲基-2-硝基苯是合成甲基橙的中間體，Guo 等[13]在寬度為1.5 mm、深度為1.3 mm、內徑為2mm 的連續流反應器內對1,3,5-三甲基-2-硝基苯的合成進行研究（圖3），系統考察了有機溶劑、溫度、摩爾比、流量和硫酸含量對產物的影響。在工藝參數優化的基礎上，通過2 個微反應器的串聯實現了千克級生產，與傳統間歇式反應器相比，硫酸用量減少86.84%，反應時間由4 h縮短至60 s，產率高達95%，產量為1.88 kg/h。兩步合成方法在反應時間、產物純度、轉化率等方面具有優勢，為工業生產芳香族化合物的硝化反應提供了一條新的合成途徑。

圖3 連續流合成1,3,5-三甲基-2-硝基苯示意圖[13]

Zhu 等[14]采用內徑為1.0 mm 的不銹鋼管路的連續流反應器，在操作溫度可控的前提下，利用4-氯硝基苯為底物與氨水進行非催化胺化反應，高效合成4-硝基苯胺（Scheme 3），后續用于合成4-(偶氮基)-2-硝基苯胺?？疾炝朔磻獪囟取⑼Ａ魰r間、4-氯硝基苯濃度、氨與4-氯硝基苯的摩爾比、堿催化劑的存在等因素對反應的影響，在234 ℃，氨與4-氯硝基苯摩爾比為1：10，停留時間為75 min，無堿催化劑的工藝條件下，4-氯硝基苯的轉化率達98.8%，4-硝基苯胺產率為91%。實驗裝置見圖4。此外，為驗證該工藝的可靠性，還進行了超過13 h 的穩定性實驗，實驗過程穩定，無堵塞現象。

Scheme 3 4-硝基苯胺連續流合成反應[14]

圖4 4-硝基苯胺連續流合成實驗裝置[14]

Luo 等[15]在橫向振動連續流反應器中（圖5），研究了以甲胺水溶液為胺化試劑與對氟硝基苯高效的胺化反應，反應溫度為70 ℃，振動頻率為6 Hz，停留時間為15 min 的條件下，獲得87%的高產率和99.5%的高純度N-甲基-4-硝基苯胺，其主要用于偶氮染料甲基橙的合成，用該方法得到的產品粒度小于100 μm，反應介質易回收，可多次重復使用。

圖5 4-氟硝基苯與甲胺水溶液的胺化反應流程圖[15]

1.2 芳胺的N-烷基化反應

N-烷基化反應是芳香胺中氨基的氫原子被烷基取代的反應，該反應是制備偶氮染料中間體（偶合組分）的關鍵，具有重要的研究價值，目前對于N-烷基化在連續流反應器內的研究較少。

劉少華等[16]以苯胺和羥基乙腈為反應物，利用康寧連續流反應器（G1 型號）合成了N-苯胺基乙腈（圖6），得到反應最佳溫度為180 ℃，苯胺與羥基乙腈的摩爾比為1：1.1，pH 對反應沒有影響，在120 s 內N-苯胺基乙腈收率達到99%，與常規反應工藝相比，反應效率更高，操作更簡單。

圖6 連續流反應器制備苯氨基乙腈的反應流程圖[16]

Yoshihisa 等[17]采用負載TiO2的連續流反應器（通道深度為300 μm），成功觀察到了芐胺在乙醇介質中的N-烷基化光催化過程，90 s 內產率達到98%，并且抑制了N,N-二烷基化產物的生成。見Scheme 4 和圖7。其次，通過精密控制輻射和流動條件，可以選擇性地得到仲胺和叔胺，選用苯胺為底物時，同時采用負載Pt/TiO2的連續流反應器，其通道深度為25 μm，停留時間為90 s，得到57%的N-乙基苯胺和1.5%的N,N-二乙基苯胺，單烷基化產率較高[18]。

Scheme 4 光催化表面芐胺的乙基化反應[17]

圖7 光催化表面芐胺的乙基化過程反應裝置[17]

Lebleu 等[19]選用苯胺和芐胺為底物，利用通道內徑為0.5 mm 的連續流反應器進行單烷基化反應（圖8）。通過對反應條件進行優化，反應溫度為80 ℃，苯胺在反應0.5 s 時得到N-乙基芐胺的收率為67%，其選擇性高達80.5%；芐胺在反應9.3 s 時得到N-乙基芐胺的收率為67%，突出了快速混合對單烷基化產物高選擇性的重要性。

圖8 單烷基化反應系統[19]

1.3 重氮化/偶合反應

重氮化反應是硝酸與芳香胺在酸性條件下生成重氮鹽的反應，在偶氮型分散染料合成中發揮重要作用；偶合反應是重氮鹽與偶合組分在特定條件下發生的親電取代反應。

Wang 等[20]利用內徑為2 mm 的不銹鋼連續流反應器對4 種偶氮染料連續合成進行高效工藝強化（Scheme 5）。通過正交實驗優化反應條件，亞硝酸鈉溶液和苯胺溶液：進料溫度為25 ℃，亞硝酸鈉與苯胺的摩爾比為1.06:1，反應物流速為30 mL/min，重氮停留時間為10 s；偶聯組分：進料溫度為21 ℃，初始pH 為10，流速為60 mL/min?？偼Ａ魰r間為10 s，得到1 號偶氮染料的產率為98.73%，2 號偶氮染料的產率為98.86%，3 號偶氮染料的產率為90.24%，4 號偶氮染料的產率為96.71%。最后，在連續流反應器中連續合成了工業甲基橙，收率達95.01%。

Scheme 5 在連續流反應器中連續流動合成偶氮染料[20]

Hideaki 等[21]報道了使用250 mm 寬、100 mm深、3 cm 長的連續流反應器進行5-甲基間苯二酚和4-硝基苯重氮鹽的相轉移偶合反應（Scheme 6），該反應在2.3 s 下轉化率接近100%，但在燒瓶中使用電磁攪拌器時，轉化率僅為80%，而且還伴隨副反應的發生。相比之下，使用該連續流反應器，反應更徹底，抑制了副產物的生成，為避免相轉移合成中的副反應提供了一種新的方法。

Scheme 6 微通道界面示意圖[21]

Akwi 等[22]將通道內徑為300 μm、深度為60 μm 的LTF-MS 連續流反應系統與相轉移催化劑聯用（圖9），采用對硝基苯胺的重氮化產物與二苯胺偶聯反應，建立了一種快速簡便的優化體系，最終在2.4 min 內二苯胺的轉化率可達99%，極大地提高了反應產量，并縮短了反應時間，該方法增強了安全性并易于產品的處理和分離。Akwi 等[23]進一步對該反應進行放大實驗，研究通道內徑對轉化率的影響，發現通道內徑從300 μm 擴大到0.5 mm 時，在停留時間不變的條件下，轉化率基本穩定不變，通道內徑進一步擴大到1 mm 時，其轉化率降至83%，對非堿性芳香胺偶氮偶聯反應有重要的研究意義。Akwi 等[24]還利用LTF-MS 反應系統合成蘇丹Ⅱ偶氮染料，最終在2.4 min 內達到98%的轉化率，并在內徑為1.5 mm 的PTFE 管內進行放大實驗，反應物轉化率雖然僅達到66%～91%，但轉化率可以通過增加停留時間來改變。

圖9 微反應器內偶聯反應裝置[23]

楊林濤等[25]探究了在連續流反應器內實現重氮化偶合反應，通過精確進料、增加物料間的接觸面積、縮小物料間的擴散距離來實現過程強化，采用微通道反應器合成的有機顏料，產品質量穩定，合成C.I.分散黃241 的收率高于99%，純度達99%，C.I.分散黃211 的收率高于96%，純度達97.7%，C.I.分散紅167：1 收率高于97%，純度85%，高于標準品，產品收率較傳統間歇方法有所提高，產品純度較高，著色能力較強。

余武斌等[26]設計了一種連續流反應系統（圖10），其通道材質為PTFE，內徑為1 mm，綜合考察了C.I.活性黑5 合成的停留時間、反應物流速、通道內徑和反應溫度對反應的影響。得到較優的工藝條件，重氮鹽與偶合組分的摩爾比為1：1，流速分別為0.15 m/s、0.075 m/s，僅在36.67 s 內產率高達93.01%。同時對C.I.活性紅35、C.I.活性黃16 等不同色系的偶氮活性染料合成進行了研究，最終產率達80%～95%，表明該反應系統具有反應效率高、重復性好等優點。

圖10 連續流反應器內連續偶合反應系統[26]

阮光棟[27]報道了使用自動連續化管式反應器生產分散染料，與傳統工藝相比，自動連續化生產工藝的分散染料收率提高2%，產品質量也有所提升，母液廢水量降低20%且可以循環利用，響應了國家清潔生產的號召。兩種生產方式生產的分散染料沒有色差，可推廣使用，促進了染料行業的發展。

葉敏等[28]在通道內徑為1 mm 的連續流反應器中制備C.I.酸性紅54，通過探究多種影響因素，得到最優的工藝條件，發現反應在室溫條件下即可進行，與傳統反應器相比，停留時間由2 h 縮短至11.11 s，C.I.酸性紅54 收率可達96.80%，并驗證了管道化連續偶合在偶氮染料生產中具有較好的應用前景。

目前，杭州吉華江東化工有限公司[30]根據實驗室的小試研究成果，設計了一套連續化生產偶氮染料的中試裝置，生產出的C.I.活性紅195 等偶氮染料的性能均符合國家標準；克拉里安特公司[31]在微反應器內進行重氮化偶合，并在放大實驗中得到高品質的偶氮著色劑，達到生產的要求。

1.4 小結

傳統工藝與微反應器反應性能對比見表1，連續流工藝與傳統工藝生產的偶氮染料對比見表2。

表1 傳統工藝與微反應器反應性能的對比

表2 連續流工藝與傳統工藝生產的偶氮染料質量對比[31]

由表1 可以看出，對于硝化、胺化、重氮化/偶合反應，微反應器與攪拌釜相比表現出了明顯優勢，能在較短的停留時間內得到較高的反應物轉化率及產品收率，很大程度上縮短了停留時間，提高了反應效率，而且也保證了安全生產。由表2可以看出，連續流工藝得到的產品性能優于傳統釜式工藝，為連續流反應工藝在工業化的應用奠定了理論基礎。

2 結論與展望

（1）本文綜述了偶氮染料及中間體在連續流反應器中的應用和研究進展，重點是芳烴的硝化及胺化、芳胺的N-烷基化和重氮化/偶合反應以及對各類反應進行條件優化，能夠使這些危險化學反應向著綠色、安全、高效的方向發展。

（2）雖然連續流反應器已經成功應用于很多反應，但仍有部分反應在連續流反應器領域還沒有找到合適的發展路線。通過理解和預測反應器內流體的動力學特性，開展計算機模擬與實驗研究相結合的工作，以推動連續流反應技術在反應系統中的應用。

（3）未來的化學化工領域，連續流技術仍有廣泛的發展空間。目前許多連續流技術的研究僅僅是停留在實驗室階段，其成果還未應用到工業生產中，今后應注重連續流反應技術的放大規律研究，繼續改進反應器結構設計，最終達到實現工業化規模生產的目的。