张月成微通道反应器在有机合成中的应用

微通道反应器在有机合成中的应用张月成2018.8.23河北工业大学、深圳一正微通道联合实验室Tel:13820681390,E-mail:[e-mail]主要内容：1.实验室简介2.工业4.0时代的化工----绿色化工3.连续流微反应器4.连续流微反应工艺案例工艺开发LabtrixStart碳化硅反应器Protrix中试验证KilloFlow学校：教学科研企业：工艺开发，工艺验证欢迎各位老师参观指导，欢迎企业共同合作！1.实验室简介河北工业大学坐落于美丽的滨海城市—天津，其前身是创办于1903年的北洋工艺学堂，是我国最早的培养工业人才的高等学校，创办了全国最早的高校校办工厂。114年来，学校始终秉承“勤慎公忠”的校训精神，坚持“工学并举”的办学特色，是“211工程”重点建设高校，河北省人民政府、天津市人民政府和教育部共建高校，2016年入选河北省“国家一流大学建设”一层次学校。2017年，成功入选国家“世界一流学科建设高校”。1.实验室简介化工学院现有教职工221人,其中教授62人,副教授48人。现有化学工程与技术一级学科博士点以及博士后流动站,化学工程与技术和化学两个一级学科硕士点。学院现有化学工程与工艺、制药工程、安全工程、高分子材料与工程、过程装备与控制工程、生物工程、应用化学、海洋技术、海洋资源与环境9个本科专业。化学工程与技术一级学科为河北省强势特色学科、国家“211”工程重点建设学科、河北省“双一流”一层次建设学科。绿色化工与高效节能实验室为省级重点实验室,基础化学实验中心和仪器分析中心为河北省教学示范中心。1.实验室简介1.实验室简介教师：4人研究生：博士研究生6人、硕士研究生24人。研究方向：1、有机合成方法学、精细化学品合成、药物及其中间体合成；2、微流控反应技术研究3、络合催化、工业催化。科研项目：近年来承担国家级项目8项，省部级项目15项；以及多项企业委托的横向课题。1.实验室简介已工业化项目：1、药物及其中间体：奥拉西坦、埃索美拉唑、泮托拉唑、美罗培南侧链等；2、精细化学品：二丙酮醇、二季戊四醇、纽甜等，3、工业催化：乙醇氨化法合成乙腈、N-甲基吡咯烷、四氢吡咯等。减少废液排放安全化工过程开发新型催化剂使用安全的溶剂、化学品减少危险化学品合成降低能源消耗开发原子经济反应减少衍生物生成2、工业4.0时代的化工-绿色化工加氢工艺氧化工艺过氧化工艺烷基化工艺胺基化工艺磺化工艺新型煤化工工艺电石生产工艺偶氮化工艺光气及光气化工艺电解工艺（氯碱）氯化工艺硝化工艺合成氨工艺裂解（裂化）工艺氟化工艺重氮化工艺聚合工艺安监总管三（2013）12号重点监管危险化工工艺目录18类重点监管危险工艺2、工业4.0时代的化工-绿色化工高效但不灵活中小规模生产的批次工艺……大规模连续工艺……灵活但不高效如何将这两种生产方式的优点结合起来？？化学品生产的挑战。。。3、连续流微反应器连续流动化学（ContinuousFlowChemistry）连续流动化学是一项革命性的颠覆传统化工的技术，它将为医药化工产业开启崭新的高效精细化时代，为医药行业的转型升级、提升创新能力、实现“零排放、绿色、可持续发展”提供有效的技术手段。3、连续流微反应器微反应器技术结构原理3、连续流微反应器传质效率高：•持续的活塞流•提供高效混合(沿管路通道)•具有低压降3、连续流微反应器14微通道中反应的热和质量的传递较快，大型容器中反应的热和质量的传递较慢热交换:混合:5m3釜式反应器(500rpm)5m3釜式反应器(500rpm)在300mm通道中这个过程需要10秒Junkersetal.ChemFiles,Vol.9(4),2009.3、连续流微反应器增加反应的可控性:•更高的反应选择性—增加了产率并减少了消耗•改进了工艺稳定性•工艺控制高度自动化•反应条件不受操作者主观影响加强工艺安全性:•反应试剂保有量少—mL级到L级的反应液保留•优秀的热/质量传递•温度、压力、计量比等参数对反应的影响，可通过小试反应研究•通风橱中的工厂，降低工厂所需的占地面积缩短研发耗时:•缩减开发费用•快速市场化3、连续流微反应器应用领域：•药学、精细化工、农用化学、特殊化学品及日用品工业•研发–新的化工工艺评估•通过使用少量的试剂和催化剂进行详细研究–材料生产•纳米颗粒、胶体、颜料及聚合物的高规格制备•工艺开发–快速实现从研发向中试规模生产的转化–能在实验室研究后通过反应较长时间生产千克级的产物–能采用以前难以实现的方法合成某些产物，•可实现一定规模的生物催化、光化学、电化学•生产–因为安全原因，以前被禁止的一些化学反应可以在有良好安全性的反应器中执行3、连续流微反应器精确地温度控制，在线体积小，出色的安全性无放大效应1234无放大效应精确的温度控制;在线体积小，出色的安全性停留时间分布窄，无返混高效混合和换热微反应器技术特点3、连续流微反应器更高效能使化学反应速率接近动力学极限，促使化学反应能做到“更快”更安全反应器中停留的化学品量很少,易于控制，促使化学化工过程“更安全”更经济快速有效的混合，精确控制停留时间与反应温度，提高了化学反应的转化率和选择性更环保微反应的过程得到强化，使物料接近理论配比反应，并且在一定程度上减少溶剂用量。3、连续流微反应器3、连续流微反应器增强生产过程安全性提高生产灵活性缩短产品面市时间降低开发与生产成本强化过程传质、传热减少三废排放改善产品质量增加产品的纯度、收率4.1氟雷拉纳（Fluralaner）的合成4、连续流微反应工艺案例氟雷拉纳是一种对哺乳动物安全、杀虫活性高、且广谱的异唑啉类杀虫剂。4.1氟雷拉纳（Fluralaner）的合成4、连续流微反应工艺案例4.1氟雷拉纳（Fluralaner）的合成中间体I:(传统工艺）4、连续流微反应工艺案例4.1氟雷拉纳（Fluralaner）的合成中间体I:(连续流微反应工艺）4、连续流微反应工艺案例4.1氟雷拉纳（Fluralaner）的合成中间体II:4、连续流微反应工艺案例第一步格式反应可以改在微通道反应器内进行,收率由60%提高到80%.4.1氟雷拉纳（Fluralaner）的合成中间体III:4、连续流微反应工艺案例第二步丁基锂参与的反应可以改在微通道反应器内进行,反应温度由-100°C提高至-20°C，收率由58%提高到76%.4、连续流微反应工艺案例在连续流微反应器上可以实现用乙酸作溶剂，等摩尔量的硝酸直接硝化。后处理过程只需蒸除部分乙酸后过滤，即可得到纯度99%以上产品，废水量大幅度减少。硝化反应4.2间羟基苯乙酮的合成在第一步重氮化反应中，可以提高反应温度至50℃，而且没有副产物生成；第二步水解反应则明显提高反应选择性，避免了釜式反应中“红油”的生成，大幅简化后处理过程，提高收率。重氮化反应4、连续流微反应工艺案例4.2间羟基苯乙酮的合成4.3纽甜关键中间体3,3-二甲基丁醛的合成4、连续流微反应工艺案例4.3纽甜关键中间体3,3-二甲基丁醛的合成双键的亲电加成反应过程，在微通道反应器内进行，反应温度由-80℃提高至-15℃，叔丁基氯与乙烯的摩尔配比由1:1.5降低至1:1.05,收率由70%提高至80%。4、连续流微反应工艺案例4.3纽甜关键中间体3,3-二甲基丁醛的合成水解反应过程，在微通道反应器内进行，反应时间由高压反应釜的40h，缩短至120s，且不需要添加表面活性剂。4、连续流微反应工艺案例4.3纽甜关键中间体3,3-二甲基丁醛的合成氧化反应过程，在微通道反应器内进行，反应的选择性可以控制在100%，完全避免过度氧化产物酸的生成，且氧化剂次氯酸钠的用量由釜式反应器内的21倍摩尔量降低至3.6倍摩尔量。4、连续流微反应工艺案例在连续流微反应器中进行，可以抑制脱水生成巴豆醛的副反应的发生，大幅提高反应选择性（由釜式50%提高至接近80%）。4、连续流微反应工艺案例4.4羟醛缩合反应4.5氟化反应采用碳化硅反应器Protrix进行氟化反应，反应时间由釜式反应器的20h缩短至5s；而且反应转化率、选择性均比釜式反应器要高，反应液可以直接作为产品出售，简化了后处理过程。4、连续流微反应工艺案例4、连续流微反应工艺案例CH3CN140oC10minOHNRH2N-RBiomassContinuousflowmicro-reactorsHCOOH乙酰丙酸（LA）是一种多官能团的生物质基平台化学品，能衍生出多种高附加值化学品，N-取代吡咯烷酮就是其中之一，被广泛用作溶剂、医药中间体等。以甲酸（FA）作氢源，无催化剂条件下，在连续流微通道反应器中成功实现了乙酰丙酸的连续还原胺化反应，避免了高沸点溶剂DMSO和添加剂三乙胺的使用。4.6还原胺化反应EntryAmineProductConv.(%)Yield(%)19386297863988949082599886948579685895859988810＞9990NH22NO2NH24NO4NH26NO6NH2NNONSH2NNOSH2NNOH2NNONH233NONH210NO10H2NNO4.7纳米材料制备采用微通道反应器连续制备纳米材料，可以更好的控制纳米材料的粒度和晶体结构。目前，已做过纳米氧化铁、纳米氧化锌和纳米二氧化钛的制备。4、连续流微反应工艺案例谢谢张月成：[e-mail]13820681329037