【新案例】產能700倍提升！不可不知的醇醛氧化新工藝！

背景介紹

酮類和醛類化合物在生物化學和香料工業(ye) 中占有重要地位，通常是有機合成的關(guan) 鍵中間體(ti) 。常見的是將醇直接氧化產(chan) 生酮和酯。

常用的氧化劑包括氯鉻酸吡啶(PCC)、Jones試劑、重鉻酸吡啶(PDC)、Swern、TEMPO、TPAP和Collins試劑。這些試劑或具有毒性或對環境不友好，與(yu) 之相比，在相轉移催化劑（PTC）作用下，使用次氯酸鈉氧化醇類化合物具有以下優(you) 點：

• 原料成本低；
• 反應條件溫和；
• 能快速、高產地氧化伯、仲醇和醛；
• 無重金屬汙染。

應用該試劑氧化醇類的可行性很早之前就得到了證實，Lee和Freedman利用次氯酸鈉進行醇的兩(liang) 相催化氧化研究。

該類反應使用間歇反應器進行放大有較多問題

• 由於反應速率受反應器的大小、形狀和攪拌速率等影響，通常收率較低；
• 換熱效率較低，局部的熱量很容易導致氧化劑的熱降解；
• 氧化反應，存在安全隱患。

緩解上述挑戰的有效方法之一是使用連續流微反應器(圖1a)

• 連續流微反應器可以提供更好的傳質和傳熱；
• 無放大效應（米兰体育(中文)官网具有）；
• 持液量相對較低，安全性高。

Yanjie Zhang等人使用康寧微通道反應器，選擇了三個(ge) PTC催化次氯酸鹽氧化反應來驗證該氧化反應從(cong) 微量到中試級別的放大效果。結果顯示：

• 從流速每小時幾微升的反應器放大到每分鍾幾十毫升的米兰体育(中文)官网均能獲得較好的反應效果；
• 氧化反應的生產效率得到顯著提高，得到一種安全有效的連續放大生產的方法;
• 從螺旋微反應器優化條件通過米兰体育(中文)官网放大通量提高了700倍，無明顯放大效應。

 實驗簡介

Yanjie Zhang等人使用米兰app下载安卓生產(chan) 的低流量反應器（LFR）和高通量反應器G1（AFR）（圖1b、c）進行實驗.，選擇了三個(ge) PTC催化次氯酸鹽氧化反應來驗證該氧化反應從(cong) 微量到中試級別的放大效果。

 圖1、 各種微反應結構

（a）螺旋設計微反應器和螺旋反應器內(nei) 丁醇/水的流動模式

（b）康寧LFR套裝

（c）康寧AFR裝置和AFR模塊內(nei) 正己烷/水的流動模式

結果顯示：

• 在康寧微反應器中，從小試到中試其傳質和傳熱效率並未發生明顯改變;
• 氧化反應的生產效率得到顯著提高，得到一種安全有效的連續放大生產的方法;　
• 數據表明在從螺旋微反應器到LFR再到AFR的不同型號的反應器，生產效率提高了700倍，而沒出現明顯放大效應。

關(guan) 於(yu) 傳(chuan) 質傳(chuan) 熱的分析：

在康寧微通道反應器*的心形混合通道內(nei) 反應物料快速流動，進行有效的非均相混合，有機相在水相中迅速分散成小液滴，從(cong) 而產(chan) 生較高的傳(chuan) 質速率，所以其非均相流體(ti) 的效率比螺旋盤管反應器更高（見圖2）。

圖2、用水從(cong) 正丁醇中提取丁二酸得到的液-液流動中單個(ge) 模塊停留時間與(yu) 傳(chuan) 質係數（kLa）的關(guan) 係

在這些反應模塊中，反應區夾在兩(liang) 個(ge) 玻璃傳(chuan) 熱板之間，傳(chuan) 熱路徑變短，傳(chuan) 熱性能得到了很大的改善。

圖3. 米兰体育(中文)官网反應模塊結構

二、實驗過程

作者在小範圍內(nei) 進行了PTC催化的次氯酸鈉溶液氧化反應的嚐試（方案1），

•在螺旋微型反應器（圖1a）中進行反應條件優(you) 化；

•隨後將反應工藝條件在到康寧LFR和G1反應器中進行放大研究；

圖4. 方案1：（a）1-苯乙醇、（b）3-硝基苯甲醇、（c）C7H6O氧化反應條件的優(you) 化

1-苯基乙醇的氧化

初步試驗表明，有效的加速反應的方法是將水相的pH值調整到9.3-9.5（圖5a）。在該pH範圍內(nei) ，大多數次氯酸鹽陰離子被質子化並形成次氯酸，然後用相轉移催化劑將其萃取到含有次氯酸鹽陰離子的有機相中，從(cong) 而顯著提高反應速率。

• 使用14.6%次氯酸鈉溶液與飽和碳酸氫鈉，很容易獲得pH 9.3～9.5的反應體係，這是一個比氫氯酸和乙酸效率更高的反應體係。飽和次氯酸鈉溶液具有較高的離子強度，有助於有機鹽從水相萃取到有機相　
• 在相同的停留時間下，由於比表麵積的增加，水相流速和有機相流速的比值(QA/QO)在控製整個反應速率方麵也起著重要作用，因此隨著QA/QO 的增加，傳質速率有所提高(見圖3b)。
• 與螺旋反應器相比，康寧LFR係列具有更高的生產率，因為LRS持液體積較大，在相同的停留時間內，它的流量更高。

圖5. （a） 螺旋微反應器中1-苯乙醇在不同反應條件下的停留時間與(yu) 轉化率的關(guan) 係（方案1a）。（b） 康寧AFR和螺旋微反應器中1-苯乙醇停留時間為(wei) 1分鍾的氧化轉化率與(yu) 流量比（QA/QO）的關(guan) 係。1-苯乙醇濃度為(wei) 0.8 M，NaOCl濃度為(wei) 2 M。菱形，螺旋微反應器（pH 9，τ=1 M in）；方塊，康寧LFR（pH 9，τ=1 min）。

3-硝基苄醇的氧化

在甲醇存在下，3-硝基苄醇可以直接氧化成其甲酯（方案1b）。在此反應中，醇首先被氧化成相應的醛，醛與(yu) 甲醇迅速形成半縮醛，並進一步氧化成相應的甲酯。

• 該反應受pH影響大，實驗合理的條件是pH為9−9.5，水相與有機相比為2：1，濃度和停留時間分別為0.8M和1.5min。
• 在康寧LRS和AFR反應器上，3-硝基苄醇氧化反應的停留時間在1min時產能達到大，效率明顯優於螺旋微反應器。

C7H6O的氧化

在甲醇存在下，C7H6O可以直接氧化為(wei) 苯甲酸甲酯，而不需要經過酸的過渡態( 方案1c)。但Leduc和Jamison研究發現，一旦轉化率達到60%，反應會(hui) 停止。

• 用甲醇取代乙酸乙酯作為溶劑，反應能夠*進行
• 反應是均相，無需相轉移催化劑
• C7H6O的氧化在2.7min內在米兰体育(中文)官网中可以100%轉化，而在螺旋微反應器中3min後轉化率僅為90%(圖6c)

圖7. 螺旋微反應器與(yu) 康寧LFR和AFR氧化(A)1-苯乙醇、(B)3-硝基苄醇和(C)C7H6O的轉化率和收率比較；藍色，轉化率（%)；紅色，產(chan) 品收率(%）

實驗總結

•作者使用次氯酸鈉溶液做了三種底物的氧化反應，從(cong) 螺旋微反應器優(you) 化到康寧LFR和AFR係統均獲得了較好的結果；

•這些物質的氧化反應為(wei) 非均相反應，通過微反應器增強傳(chuan) 質可以提高反應效果；

•工藝過程中替換溶劑或者使用傳(chuan) 質更好的反應結構單元都可以起到提高傳(chuan) 質的作用；

•和傳(chuan) 統微反應器相比，米兰体育(中文)官网可以實現更高的轉化率且單台反應器可以獲得更高的通量（生產(chan) 效率）；

•從(cong) 螺旋微反應器到康寧G1反應器通量提高了700倍，同時保持了良好的傳(chuan) 質傳(chuan) 熱效果。

參考文獻：dx.doi.org/10.1021/op500158h | Org. Process Res. Dev. 2014, 18, 1476−1481