连续微反应加氢技术在有机合成中的应用

姜友林 许晓春

摘要：在微反应连续加氢技术应用过程中，能够让有机合成中气液固相界面接触面积增加，并促使传质过程被强化，保证催化剂得到最大限度的利用。微反应连续加氢优势较多，可以有效减少加氢反应时间和反应器体积，因此在很多领域应用极为广泛。本文先概述了连续流加氢反应器，并探讨了连续微反应加氢技术在有机合成中的具体应用。

关键词：连续微反应加氢技术;有机合成

在有机合成中经常遇到加氢反应，这种反应类型若是选用间歇加氢釜，则无法保证反应的效率，操作也非常繁琐，存在一定的安全隐患。现在借助连续加氢微反应器，以非均相催化加氢反应方式进行，可以有效提高传质性能，为催化剂回收利用和产物纯化带来了便利。该技术可以保证较高的生产效率，有效降低贵金属催化剂损失，因而研究与应用价值巨大。

1.连续流加氢反应器概述

1.1连续流加氢反应器特点

对连续加氢反应来说，一般是把固体催化剂在反应器中进行固定，让气液混合物持续不间断通过反应器，保证与催化剂接触更加充分，这样不仅反应速率将实现提升，催化剂回收也更加简单。因为催化剂固定形式存在差异，主要包括填充式微反应和壁载式微反应器等类型。此外，还可以将催化剂粉末悬浮在加氢底物中形成液体浆料，液体浆料与氢气混合通过微反应器后完成加氢过程，这种浆料式微反应器也是应用较多的一种连续流反应器。

1.2常见连续流加强反应器类型

对填充式微反应器来说，通过填充颗粒催化剂后进行固定，能够实现非均相催化加氢反应。这种类型的反应器入口位置一般设置了气液混合装置，利用泵送气液混合物流过固定催化剂的方法，为气液固三相接触创造条件，传质过程将得到强化，非均相反应的反应速率将得到强化。这种方法是有机合成中常用的技术路线，催化剂固定简单，也便于更换，有利于操作。此外，因为相流比较复杂，存在压降大、放大困难等情况。在温度控制过程中，能够让装置在高压条件下顺利运行，反应器材质为不锈钢。

对壁载式微反应器来说，催化剂利用壁载的形式在反应器内壁进行固定，气液混合物流过反应器内部，与催化剂接触完成加氢反应。这种方法具有流动简单、压降小以及易于放大等优点，同时需要解决单位体积催化剂浓度不高，且催化剂失活后无法更换等困难。可以利用金属催化剂粉末，采取壁载的方式负载在玻璃板上，制成加氢反应器，能够提高气液固三相传质效果。当停留时间为2min和处于室温反应环境中，借助Pd催化剂能够完成碳碳双键与碳碳三键的高效选择加氢，收率将达到97%。这种装置的缺点是金属催化剂极易流失，将催化剂壁载在气相色谱毛细管中，有利于解决上述问题，同时可以增加毛细管柱数量，能够达到生产放大的目的。还可以通过金属3D打印的方式，建立复杂静态混合器，并在静态混合器表面负载贵金属催化剂，反应器中单位体积催化剂浓度将实现提升，并获得更好的加氢效果。

2.连续微反应加氢技术在有机合成中的具体应用

2.1烯烃加氢

烯烃类物质加氢实现较易，是一种有着重要意义的反映类型，高效且高选择性的烯烃催化加氢价值极大。当前在烯烃加氢反应过程中，经常用到连续流反应器，这是因为环己烯结构很简單，是这类加氢反应的底物。特别是通过壁载毛细管反应器解决三相传质阻力后，将Pd/Al2O3用于催化剂，可以提高环己烯加氢反应的速率，停留时间最多为12s，且收率为99%。此外，在使用连续流反应器的过程中，如果催化剂选用Pd/TiO2，在进行催化加氢环己烯的过程中，也能获得相似结果，单位活性在单位时间内转化的反应物的量（TOF）为1131h-1。

2.2醛类物质氢化

通过还原醛类化合物获得目标醇，这种方法被广泛用于化学化工领域，在酮基等其他还原性基团存在的基础上，对醛基采取选择性还原方式，是当前研究的重点内容[1]。在微填充床反应器内填充制备的负载在两亲性树脂上的ARP-Pt催化剂，在22s的停留时间内，能够完成对多种含酮基的醛类化合物的高选择性加氢。在肉桂醛的选择性催化加氢中，设计壁载有190mg12%（质量）Pt/SiO2催化剂涂层的连续流反应器，能够避免形成氢化肉桂醛和氢化肉桂醇，并定向获得所需的肉桂醇。这样不仅能够保证转化率达到98.8%，也具有超过90%的选择性。与间歇式反应器不同，当温度压力、催化剂用量一样的条件下，工作时间超过110h后，发挥这种壁载型反应器的作用，与间歇式反应器相比，其肉桂醇产量将提高7.5倍，可见在醇类物质选择性加氢方面，连续流反应器应用优势巨大。

2.3硝基加氢

在药物、除草剂和塑料工业等领域，功能化苯胺类物质属于常见的中间体，一般通过硝基化合物直接加氢获得。若是有其他还原性官能团，如何快速并高选择性的还原硝基，研究价值极大，而借助连续流加氢装置，将在硝基快速氢化方面表现出加大优势。以H-Cube反应器为例，常压下通过雷尼镍催化剂能够完成具有多种N-Bn结构的硝基吡咯烷的加氢，将达到至少90%的选择性[2]。此外，通过Pd/C催化剂能够对硝基进行连续加氢，可以得到抗肿瘤药物的前体药物，将获得81%的选择性。对H-Cube反应器来说，能够在硝基类物质2分钟停留时间内快速氢化，可见该反应器在硝基加氢中反应速率较高，优势也很明显。

3.结语

总之，利用连续加氢反应器，可以增加气液固三相接触面积，减少了传质距离，能够第一时间将系统的产物移除，防止加氢存在过度现象后形成其他的副产物。相比于间歇式反应器，连续加氢反应器的加氢性能更好。在应用连续加氢技术的过程中，对所用固体催化剂与H2为氢供体而言，并非均相催化，有利于回收利用催化剂，为产物提纯分离创造有利条件，能够满足绿色化学的要求。

参考文献

[1]娄锋炎，尹佳滨，段笑南，王祁宁，艾宁，张吉松.连续微反应加氢技术在脱保护反应中的应用[J].化工学报，2021，72（02）：761-771.

[2]屠佳成，桑乐，艾宁，徐建鸿，张吉松.连续微反应加氢技术在有机合成中的研究进展[J].化工学报，2019，70（10）：3859-3868.