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            用于連續流動雙相液液反應的工具

            2019年03月19日 反應釜技術 85 views

            原文標題:《Enabling tools for continuous-flow biphasic liquid–liquid reaction》

            原文出處::Reaction Chemistry & Engineering

            涉及508轉位

            引言

            液-液反應(LLR)已被證明可用于多種應用,如芳烴的硝化,酯的水解,氧化,聚合和材料合成LLR與均相反應相比具有許多獨特的優勢。例如,LLR使得具有不同溶解度行為的組分之間的反應成為可能。此外,LLR有助于反應物,產物和催化劑之間的分離,因為它們被分隔成不同的相。然而,LLR中液 - 液界面的存在限制了整體動力學。為了解決這個問題,已經探索了新興的流動化學以加強LLR。在流動中進行反應增加了界面面積并大大改善了混合。在這個小綜述中,我們的目標是概述在連續流模式下實現LLR的發展。

            該小綜述文章概述如下:在第一部分中,介紹了流動化學中的多相反應。然后,在第二部分中,我們提供了已經在連續流程中證明的LLR的簡要概述。在第三部分中,我們總結了傳統的和最近的方法和工具,以實現有效的LLR。在最后一部分中,我們提供了一些相關的例子,成功地將LLR與其他單元操作(如回收和分離)集成在一起。

            盡管許多流動過程涉及兩相液體流,但并非所有流動過程都被認為是LLR。在某些情況下,添加惰性不混溶液體以產生液滴或鏈段,其作用是限制或增強每個液滴或鏈段內的單相反應。在這種情況下,我們將僅關注兩相包含的對反應很重要的化學物種所參與的兩相反應。

            流動化學中的多相反應

            在過去的幾十年中,流動化學由于其優于傳統批量化學的優點而開辟了幾種化學合成的范例。流動反應器能夠增強質量和熱傳遞因此,流動系統中反應器的尺寸通常小于具有相同轉化率的燒瓶的尺寸。類似地,由于其快速散熱,可以在流動反應器中比在燒瓶中更安全地處理高放熱反應。此外,可以很好地保護敏感試劑和溶劑免于暴露于流動系統中的空氣和水分。連續流動合成易于擴展或擴展以滿足所需的生產量。最近,由于可以簡單地實施在線分析,因此使用連續流化學裝置用于自動篩選和優化各種化學反應的興趣越來越大。

            多相反應是流動化學中的主要研究領域之一。多相反應主要由兩個連續步驟調節。在第一步中,將試劑轉移到另一相中的反應位點。該步驟由傳質控制。實例包括將氣體輸送到液體介質中以進行氣-液反應和將液體中的試劑輸送到固體催化劑的表面。第二步涉及由內在動力學控制的反應。通常,在多相反應中,第一步是緩慢的并且被視為限速步驟。研究人員已經表征并超越了不同環境中多相流的質量傳遞限制。通過稱為混合的傳質可以通過輔助混合器來改善。有兩種類型的混音器:靜態(被動)和主動。靜態混合器在不使用任何活動部件的情況下產生混合效果,而有源混合器使用機械運動部件進行攪拌,脈沖和振蕩等過程,以促進混合。靜態混合器在流動化學中更常見,因為它們具有低能量輸入要求和最小的設置復雜性。對于氣液反應,有各種靜態混合器,如填充床,微填充床和微混合器。張等人報道了微填充床反應器中氣液系統的詳細實驗結果。他們利用自動化平臺測量CO2吸收率,發現微填充床反應器中氣液體系的體積傳質系數(k

            L

            a)約為0.12-0.39s

            -1

            ,即一,二階比典型的包裝(滴流)床(0.002-0.01s

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            )更高的放大倍數。庫爾特等人研究了具有90°彎曲反轉的盤繞毛細管反應器中的氣液流動模式;由于來自彎曲的額外徑向混合,它表現出比直螺旋和螺旋盤管式反應器更好的混合。固- 液(液/氣)反應通常稱為多相催化,并且需要固體催化劑和流體狀態的試劑。催化劑顆??梢耘c流體一起流動或固定在反應器壁或填充材料上。與氣-液反應類似,通常使用靜態混合器來增加試劑和催化劑之間的接觸面積。例如,靜態混合器可以涂覆催化劑以產生分散效果以及用于反應的催化位點。Arvil等通過電鍍和冷噴涂分別沉積具有Pd(0)和Ni(0)的3D打印靜態混合器。顯示混合器對各種基材的氣液加氫有效。

            除氣-液和固-液反應外,液-液反應已廣泛應用于有機和無機合成中。它們用兩種不混溶的液體進行,以獲得不同化學物質的完全溶解度。還實施液-液反應以易于分離和回收產物,未消耗的試劑或催化劑。

            連續流動中的液-液反應:

            流動中的LLR通??梢苑譃閮深悾壕哂泻筒痪哂邢噢D移催化劑(PTC)的反應。PTC促進特定試劑從一相到另一相的輸送,其中發生主要反應。另一方面,沒有PTC的雙相反應通常發生在液-液界面。這兩種反應的發展概述如下。

            與相轉移催化劑的反應:

            相轉移催化極大地受益于流動化學,已知流動化學增加了化學物質交換的界面面積。分段流動是這些類型的流動反應的共同起點。它提供了一個大的界面區域和獨特的內部循環,使界面更新,促進了相間傳質。分段流中的相轉移催化反應的實例包括烷基化和水解。至于機理,PTC負責將反應物從一相轉移到另一相,其中發生主要反應。例如,季銨鹽(Q+)用作PTC,捕獲通常不溶于有機相的陰離子,并將其帶到有機相(圖1a),在那里發生位移。然后,PTC將置換的陰離子帶回水相,并重復該循環。

            已經在效率方面比較了流動和間歇反應器中的相轉移催化反應。Reichart等人應用相轉移O-烷基化和S-烷基化作為模型反應并使用三種類型的流動反應器:不銹鋼盤管,玻璃芯片微反應器和填充床反應器。還進行了使用微波間歇式反應器的另一個實驗。對于4-叔丁基苯酚的O-烷基化(方案1),與微波分批反應器(77%轉化率)相比,所有流動反應器顯示出高轉化率(>93%)。類似地,對于2,4,6-三甲基苯-硫醇的S-烷基化(方案1),與間歇反應器(26%)相比,所有流動反應器產生超過82%的轉化率。本研究強調了使用流動反應器與PTC進行雙相反應的好處。

            圖一:(a)顯示具有PTC,Q +的LLR的機理的圖,其將陰離子A帶到發生主要反應的有機相中。反應后,Q +也將置換的B帶回水相。(b)描繪在沒有PTC的LLR中可能發生的兩種機制的圖:界面反應和將反應物提取到發生主要反應的另一相中。粗箭頭表示化學反應,而虛線箭頭表示化學物質的間期轉移(提?。?。

            此外,還在可持續性方面對連續和批量設置中的相轉移催化反應進行了比較,其適用的指標包括體積和質量效率,E因子和成本。在100 te/ a生產的相同假設設計規模下,批次和連續方法顯示出可比較的E因子和質量效率。雖然連續系統表現出更高的體積和能源效率以及更低的庫存,但它比批量對應物需要大約50%的資本投資。

            Scheme1 4-使用四丁基溴化銨(TBAB)作為PTC在雙相流動二氯甲烷(DCM)和水中實現四丁基苯酚的O-烷基化和2,4,6-三甲基苯-硫醇的S-烷基化

            沒有相轉移催化劑的反應:

            沒有PTC,雙相反應發生在界面處或其中一個體相中(圖1b)。后一種情況類似于與PTC的反應,不同之處在于它不需要任何催化劑來使相之間的反應物遷移。在沒有PTC的大多數反應中,兩種情況(界面和體積)同時發生。

            與之前的討論類似,界面的存在是質量傳遞限制的主要來源。該問題的經典解決方案是使用微反應器。Ueno及其同事報告了該領域最早的研究之一。在他們的研究中,芳烴的光氰化(方案2)在聚合物Y-結構的微通道中進行。光誘導了油相中芳烴的陽離子的產生。隨后,在平行流的油-水界面上有效地發生陽離子和氰離子之間的氰化,產生73%的高產率。該研究鼓勵微反應器中LLR的進一步發展。關于LLR微反應器的簡短討論將在本文后面介紹。

            Scheme2 芘在油/水體系中的光化作用

            Hisamoto及其同事研究了重氮偶聯反應,發現流動系統不僅提高了反應速度,而且使副反應最小化。在他們的實驗中,副反應在主要產物和重氮鹽的存在下發生并形成雙嗪副產物。但是,通過將主要產物從水相快速轉移到有機相中,副反應減少。

            有時將均相液體反應多相化為雙相條件以進行過程強化。作為最近的一個例子,Reymond及其同事證實了在連續流動填充床反應器中甲酸甲酯水解成甲醇和甲酸。使用流動反應器,消除了質量傳遞。本研究中使用的甲酸甲酯的進料濃度超過了甲酸甲酯在水中的飽和度;因此,它出現了雙相(液-液)。與均相體系中的產率相比,高濃度甲酸甲酯和高質量轉移的組合導致產率增加約1.6倍。

            此外,LLR還為聚合物化學提供了獨特的機會,因為界面充當分子螺旋痙攣,其加強并使兩個或更多個分子一起反應。雖然大多數相關文章都強調批量合成方法,但可以參考更多的界面LLR實例。

            用于連續流動中液- 液反應的常規工具:

            用于LLR的反應器需要限制流動,使得兩個或更多個相之間的相互作用最大化。常規設計包括微通道和填充床。反應器可以經受一些效果,例如超聲處理和微波輻射,以增加混合。本節概述了這些主題。

            微通道和平板反應器:微通道已經成為LLR的潛在工具,因為可以產生小尺寸或微米尺寸的液滴以提供明確且大的界面區域。在微通道中,特定的流動狀態或液滴尺寸可以精確控制。這解決了間歇式反應器中的問題,其中由于在整個罐中空間不一致的攪拌,液滴的尺寸可以廣泛分布,影響反應的產率和生產率。最近出現了關于液-液微流的優秀綜述。

            實驗室規模的攪拌反應器中的界面面積與體積比在10-40m

            2

            m

            -3

            范圍內,這顯著小于毛細管微反應器中獲得的界面面積與體積比。Ghaini等研究了當微通道內徑在0.5-1.0mm范圍內時,毛細管微反應器中的界面面積在830和3200 m

            2

            m

            -3

            之間。微反應器中增強的質量傳遞也可以通過測量的質量傳遞系數(k

            L

            a)來確認。與傳統的液-液接觸器相比,微通道中k

            L

            a的值為10

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            至100s

            -1

            。其中kLa的值在10

            -5

            至10

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            s

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            范圍內。傳統接觸器的低k

            L

            a值可以控制或限制總反應速率。例如,油與甲醇和乙醇的雙相堿性酯交換的動力學表征為具有相似的質量傳遞和固有反應速率。在先前的文章中已經概述了使用微結構反應器進行LLR的優點。

            在不同類型的雙相流動狀態中,最常使用分段和液滴流動。分段流動提供穩定的界面以及內部循環,增加了傳質。隨著段塞長度的減少,內部循環增加。Jovanovi等通過改變相比來檢測微通道中苯基乙腈的相轉移催化烷基化。使用250μmPEEK毛細管,有機相潤濕微通道,而水相形成嵌段。較高的水-有機比導致較大的界面面積和轉化率。然而,選擇性降低,因為較高的動力學也促進了連續烷基化,這反過來導致更多的副產物。在微反應器中,它們能夠精確控制界面面積并同時優化轉化率和選擇性。

            如前所述,微結構反應器不僅有利于傳質,而且有利于傳熱。杜曼等人證明了在具有0.75mm直徑的PTFE毛細管中單環芳族化合物的硝化。從毛細管中快速釋放熱量可以有效控制等溫條件。

            一些微通道被設計成蜿蜒和蛇形,以使每個區段內的不對稱循環,從而使Wenn等人更好地混合。表明具有微米的微反應器可用于進行兩相反應的動力學分析。作為最近的一個案例研究,Gutmann等人在市售微反應器中進行二氟甲基化,在有機-水條件下具有混合結構和延伸管。使用背壓調節器對流動過程加壓以允許在升高的溫度下進行研究,這可以潛在地最小化副產物和二氟卡賓中間體的分解。在合理的停留時間(24分鐘)和溫和的溫度(40℃)下實現了具有高產物選擇性(95%)的完全轉化率(98%)。

            當通道變得大于1mm時,可以將其視為毫通道。毫通道用于處理更高的流速。它可以簡單地是聚合物或金屬線圈。螺旋管彎曲90°的螺旋流逆變器被證明比常規螺旋管或直管反應器更有效地增強LLR。在毫通道中已經證明了不同的LLR。例如,在ID為1.6mm的通道中,在250psi的壓力下,在有機溶劑(甲苯)中的中間醇基與水溶液中的甲胺基之間進行胺化。這種雙相流有效地產生用于合成氟西汀的中間體氨基醇。另一個重要的例子是Vapourtec在一個毫米級流動反應器中將碳水化合物脫水成增值產品,包括5-(氯甲基)糠醛和5-(羥甲基)糠醛(方案3); 這兩種產品分別在60秒和15分鐘的短停留時間內生產。這被證明比傳統的分批方法更有效,傳統的分批方法需要幾小時的停留時間。

            Scheme3在雙相條件下將碳水化合物轉化為5-(氯甲基)糠醛

            此外,其他效果,如超聲和微波輻射,被引入雙相反應,以促進傳質。超聲波通過在液-液界面附近產生空穴坍塌來加強反應。在分段流動中,超聲處理顯示出比微波更有效。Riccaboni等據報道,即使在不存在相轉移催化劑的情況下,超聲處理在產率和停留時間方面也能有效地改善反應。在他們的研究中,超聲波流動中的Wittig烯烴形成反應(方案4)在5分鐘內產生96%的分離產率,這顯著高于超聲燒瓶中的產率(在1小時內70%分離產率)。這個簡單和快速方案可以替代傳統方案,其需要有毒且昂貴的相轉移催化劑。

            Scheme4 通過雙相Wittig反應合成肉桂酸4-甲氧基酯

            填充床反應器:填充床反應器廣泛用于增強不同操作中的混合,例如液-液反應和溶劑萃取。這是因為當液滴穿過填料顆粒之間的開口時液滴被拉長,從而為化學物質的運輸創造了額外的界面區域。這種類型的反應器在許多合成化學中起著至關重要的作用,特別是在流動中的交叉偶聯反應。偶聯反應包括使用無機堿和形成鹽副產物。因此,已經開發了用于這些類型反應的雙相系統,以允許有機和無機組分的溶解度通常與相轉移催化劑Nol等人。使用填充床進行雙相Suzuki-Miyaura交叉偶聯反應(Scheme5)。在他們的研究中,微反應器設置被設計為望遠鏡兩個反應步驟。首先,將酚與三氟甲磺酸酐(Tf

            2

            O)合并,并在單相反應中轉化為三氟甲磺酸酯。通過在線液-液萃取除去副產物和過量試劑如乙胺和鹽。然后中間體芳基三氟甲磺酸酯在400μL反應器中經歷雙相Suzuki-Miyaura交叉偶聯反應,其包含60-125μm不銹鋼球的填料,允許有效混合以及熱傳導。

            Scheme5從酚類兩步合成聯芳基

            最近開發的連續流液液反應工具:

            盡管微反應器被認為是用于連續流化學處理的有前景的技術,但是難以通過向上擴展或向外擴展方法將它們應用于生產。在本節中,我們的目標是為LLR提供一些最新開發的支持工具。

            許多流動反應器已在市場上商業化,以處理高達100mL min

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            的流速。例如,康寧開發了幾種型號的玻璃流體反應器,其水力直徑在0.3-4毫米的范圍內。反應器含有內部元素,迫使流體分裂和重新組合,導致細小和穩定的乳液(圖2a)??祵幭冗M的流量反應器(AFR)可用于中間流速的化學處理(推薦10-200mL min

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            )。由于大的界面面積(103-104m2 m

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            ),CorningAFR被發現具有良好的混合(高k

            L

            a值為1.9-41s

            -1

            ),這與微反應器的相當。CorningAFR可以促進與微反應器相比,生產率提高650-700倍,從而擴大了酒精氧化程度。

            圖二:(a)CorningAFR的可視化顯示精細和穩定的液滴。(b)在LL-菱形混合單元中混合和流過區域的不同布置。

            LL-Rhombus混合裝置具有與Corning反應器類似的幾何形狀,除了LL-菱形單元沒有彎曲的流動阻礙以避免液滴聚結。Mielke等人最近研究了兩個區域之間的排列影響:混合和流通區域(圖2b); 兩個區域的水力直徑分別約為0.7和2.9毫米。以10-190mL min

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            的操作速率使用4-硝基苯基乙酸酯的堿性水解作為案例研究,他們發現僅具有混合單元的微反應器由于最大的能量耗散率而產生最高的總傳質系數。而且,具有相同數量的混合單元的不同間隔布置在轉換方面產生類似的結果,表明混合單元的數量比布置本身具有更重要的作用。雖然靜態混合在許多LLR應用中很普遍,但它有一些主要的缺點。首先,混合性能隨流速而變化。其次,流動阻塞會導致壓力增加,特別是在高流速時。如圖3所示,Mandrelli等構建了一個反應塔,而不是使用靜態混合器,其中連續攪拌釜反應器以垂直系列級聯。在CSTR的每個階段,安裝Rushton渦輪攪拌器以使雙相流均勻化。流速,攪拌速度和階段開口尺寸必須一起優化,以避免相累積和回混;前一個問題影響試劑偏離進料的比例。流動中的模型反應(在Me-THF/ H

            2

            O系統中的雙烷基化,如Scheme6中所示)的結果與微波批量反應器的結果相當。

            Scheme6由芐胺與1,5-二溴戊烷的雙烷基化制備N-芐基哌啶

            圖三:最近設計的用于液- 液反應的反應塔

            Mo和同事設計了微型CSTR,用于非接觸式磁耦合,如圖4所示。腔室由PTFE制成,具有良好的化學兼容性。通過從己烷中將苯酚萃取到水中測量總傳質系數,發現其大約為10s

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            。它們的CSTR進一步用于兩個反應:不對稱相轉移催化反應(Scheme7)和Suzuki-MiyauraC-C偶聯反應(Scheme8)。合理的產率表明它們的CSTR有效地消除了傳質限制。

            Scheme7 N-(二苯基亞甲基)甘氨酸叔丁酯的不對稱芐基化

            Scheme8 雙相Suzuki-Miyaura鈀催化的C-C偶聯反應

            用于液-液反應的集成連續流動過程:

            許多LLR示例使用內聯分離實現,使整個過程完全連續。Peer等報道了連續雙相醇氧化,采用在線膜基分離,從產品中除去催化劑和相轉移催化劑(PTC)。如圖5所示,有兩個進入的流:含有過氧化氫(H

            2

            O

            2

            )和多金屬氧酸鎢(POM)催化劑的含水流和含有醇基和PTC的有機(甲苯)流。該反應首先在螺旋微反應器中進行優化,并在CorningAFR中放大約650倍而沒有任何轉化損失。在反應器之后,實施基于膜的分離器以分離出含有POM的水相。然后,使剩余的有機物流流過多級膜基分離器,從產物中提取PTC。

            圖四:用于液-液反應的小型CSTR(比例尺為5 mm)

            圖五

            最近,Teoh等人證明了在連續模式下從產品中分離出PTC后的循環。在他們的實驗中,正丁基溴化銨(TBAB)用作O-烷基化的PTC。通過調節離子強度以形成第三層或中間層來實現TBAB的回收。使用這種方法,每次回收58-76%的TBAB。使用再循環TBAB的反應的反應性能與使用新鮮催化劑觀察到的相當。該研究舉例說明了具有集成分離和再循環的雙相反應系統。

            Loponov等通過過二硫酸銨(Sheme 9)以連續流動方式進行苯乙烯的二羥基化。該反應涉及非?;顫姷难趸瘎?,過氧化二硫酸鹽(S

            2

            O

            8

            2-

            ),其必須以稀釋的水溶液形式使用。這是第一項納入用于乳化的交叉流動膜組件(圖6)以及用于質量傳遞增強的振蕩流動反應器(OFR)的研究。OFR包含周期性收縮,其與流動振蕩相互作用以改善質量傳遞行為,尤其是當乳化液滴小于60μm時。然后向該雙相產物流中加入乙酸乙酯以萃取二醇產物并回收氧化劑以進行可能的再循環。將雙相流送至沉降器進行基于密度的分離。

            Scheme9 過二硫酸銨對苯乙烯的二羥基化反應和二醇產物連續萃取到乙酸乙酯中

            在某些情況下,反應和分離可以在同一模塊中進行。實例包括反應性萃取,其是雙相操作,盡管反應可以被認為是單相的。通常引入另一種不混溶相以提取特定組分,即產物或不需要的副產物。例如,Lueckgen等人使用分段流進行反應性萃取,從果糖合成5-羥甲基糠醛(HMF),產率超過80%。類似地,如圖7所示,Zhou等人設計了一種膜微反應器,其將水相分散到有機(MIBK)相中以產生HMF。膜由不銹鋼制成。一旦產生HMF,就將其萃取到有機相中以防止HMF轉化為其他不需要的產物,例如乙酰丙酸。整個過程導致HMF的更高產率和選擇性。與攪拌槽相比,微反應器中HMF的產率(4分鐘內產率為81.5%)大大提高(60分鐘內產率28.7%)。

            圖六:用于乳化用于流動中二羥基化的膜組件

            圖七:用于HMF生產的反應提取模塊

            如圖8所示,Ilmi等人最近,連續攪拌釜式反應器(CSTR)與連續離心接觸器分離器(CCCS)級聯,用于從向日葵油和1-丁醇合成脂肪酸丁酯。反應物流是雙相的,含有有機物(甘油三酯,1-丁醇,己烷)和水相(脂肪酶水溶液)相。使用150g L

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            的酶,取決于所用的停留時間(1-8小時),第一CSTR的產率為63.4%-77.9%摩爾。然而,后續CCCS后的總收率高于90% mol,證實CCCS同時用作反應器和分離器。

            圖八:離心接觸器分離器,用于分離和反應酯合成

            結論和觀點

            在本文中,描述了液-液反應在合成和工業化學中的作用。LLR能夠使具有不同溶解度的化學物質相互作用,并允許物種和催化劑之間的簡單分離。然而,液-液界面的存在被認為是大規模運輸的障礙。為了加強傳質,在過去幾年中已經開發了幾種使能工具。發現微通道和填充床柱比傳統的攪拌罐更有效; 然而,它們難以擴大規模。最近對康寧AFR,微型CSTR和振蕩流反應器等連續反應器的研究證明,它們是LLR的有前景的工具。這些反應器與在線分離的集成使整個過程完全連續,從而消除了任何手動操作。

            由于流動化學領域不斷增長,LLR的使能工具的開發可能會增加。首先,分析和制備規模的工具可用于探索液-液反應以及條件的優化。例如,自動平臺,如振蕩流反應器,可用于以高通量方式篩選各種條件。在研究反應后,可能需要全面了解液-液流動特性來創建合理設計流動反應器或工具。計算流體動力學(CFD)可用于闡明流場并提供傳質性能的見解和預測。最后,液-液流動反應器可以與在線分離結合以回收產物或分離反應物和催化劑。許多合適的分離器,例如基于膜的分離器,是即插即用裝置。進一步的研究將集中于提高分離效率(例如,多階段提?。?,使得試劑和溶劑消耗最小化。

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