用于连续流动双相液液反应的工具

2019年03月19日 反应釜技术 85 views

原文标题:《Enabling tools for continuous-flow biphasic liquid–liquid reaction》

原文出处::Reaction Chemistry & Engineering

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引言

液-液反应(LLR)已被证明可用于多种应用,如芳烃的硝化,酯的水解,氧化,聚合和材料合成LLR与均相反应相比具有许多独特的优势。例如,LLR使得具有不同溶解度行为的组分之间的反应成为可能。此外,LLR有助于反应物,产物和催化剂之间的分离,因为它们被分隔成不同的相。然而,LLR中液 - 液界面的存在限制了整体动力学。为了解决这个问题,已经探索了新兴的流动化学以加强LLR。在流动中进行反应增加了界面面积并大大改善了混合。在这个小综述中,我们的目标是概述在连续流模式下实现LLR的发展。

该小综述文章概述如下:在第一部分中,介绍了流动化学中的多相反应。然后,在第二部分中,我们提供了已经在连续流程中证明的LLR的简要概述。在第三部分中,我们总结了传统的和最近的方法和工具,以实现有效的LLR。在最后一部分中,我们提供了一些相关的例子,成功地将LLR与其他单元操作(如回收和分离)集成在一起。

尽管许多流动过程涉及两相液体流,但并非所有流动过程都被认为是LLR。在某些情况下,添加惰性不混溶液体以产生液滴或链段,其作用是限制或增强每个液滴或链段内的单相反应。在这种情况下,我们将仅关注两相包含的对反应很重要的化学物种所参与的两相反应。

流动化学中的多相反应

在过去的几十年中,流动化学由于其优于传统批量化学的优点而开辟了几种化学合成的范例。流动反应器能够增强质量和热传递因此,流动系统中反应器的尺寸通常小于具有相同转化率的烧瓶的尺寸。类似地,由于其快速散热,可以在流动反应器中比在烧瓶中更安全地处理高放热反应。此外,可以很好地保护敏感试剂和溶剂免于暴露于流动系统中的空气和水分。连续流动合成易于扩展或扩展以满足所需的生产量。最近,由于可以简单地实施在线分析,因此使用连续流化学装置用于自动筛选和优化各种化学反应的兴趣越来越大。

多相反应是流动化学中的主要研究领域之一。多相反应主要由两个连续步骤调节。在第一步中,将试剂转移到另一相中的反应位点。该步骤由传质控制。实例包括将气体输送到液体介质中以进行气-液反应和将液体中的试剂输送到固体催化剂的表面。第二步涉及由内在动力学控制的反应。通常,在多相反应中,第一步是缓慢的并且被视为限速步骤。研究人员已经表征并超越了不同环境中多相流的质量传递限制。通过称为混合的传质可以通过辅助混合器来改善。有两种类型的混音器:静态(被动)和主动。静态混合器在不使用任何活动部件的情况下产生混合效果,而有源混合器使用机械运动部件进行搅拌,脉冲和振荡等过程,以促进混合。静态混合器在流动化学中更常见,因为它们具有低能量输入要求和最小的设置复杂性。对于气液反应,有各种静态混合器,如填充床,微填充床和微混合器。张等人报道了微填充床反应器中气液系统的详细实验结果。他们利用自动化平台测量CO2吸收率,发现微填充床反应器中气液体系的体积传质系数(k

L

a)约为0.12-0.39s

-1

,即一,二阶比典型的包装(滴流)床(0.002-0.01s

-1

)更高的放大倍数。库尔特等人研究了具有90°弯曲反转的盘绕毛细管反应器中的气液流动模式;由于来自弯曲的额外径向混合,它表现出比直螺旋和螺旋盘管式反应器更好的混合。固- 液(液/气)反应通常称为多相催化,并且需要固体催化剂和流体状态的试剂。催化剂颗粒可以与流体一起流动或固定在反应器壁或填充材料上。与气-液反应类似,通常使用静态混合器来增加试剂和催化剂之间的接触面积。例如,静态混合器可以涂覆催化剂以产生分散效果以及用于反应的催化位点。Arvil等通过电镀和冷喷涂分别沉积具有Pd(0)和Ni(0)的3D打印静态混合器。显示混合器对各种基材的气液加氢有效。

除气-液和固-液反应外,液-液反应已广泛应用于有机和无机合成中。它们用两种不混溶的液体进行,以获得不同化学物质的完全溶解度。还实施液-液反应以易于分离和回收产物,未消耗的试剂或催化剂。

连续流动中的液-液反应:

流动中的LLR通常可以分为两类:具有和不具有相转移催化剂(PTC)的反应。PTC促进特定试剂从一相到另一相的输送,其中发生主要反应。另一方面,没有PTC的双相反应通常发生在液-液界面。这两种反应的发展概述如下。

与相转移催化剂的反应:

相转移催化极大地受益于流动化学,已知流动化学增加了化学物质交换的界面面积。分段流动是这些类型的流动反应的共同起点。它提供了一个大的界面区域和独特的内部循环,使界面更新,促进了相间传质。分段流中的相转移催化反应的实例包括烷基化和水解。至于机理,PTC负责将反应物从一相转移到另一相,其中发生主要反应。例如,季铵盐(Q+)用作PTC,捕获通常不溶于有机相的阴离子,并将其带到有机相(图1a),在那里发生位移。然后,PTC将置换的阴离子带回水相,并重复该循环。

已经在效率方面比较了流动和间歇反应器中的相转移催化反应。Reichart等人应用相转移O-烷基化和S-烷基化作为模型反应并使用三种类型的流动反应器:不锈钢盘管,玻璃芯片微反应器和填充床反应器。还进行了使用微波间歇式反应器的另一个实验。对于4-叔丁基苯酚的O-烷基化(方案1),与微波分批反应器(77%转化率)相比,所有流动反应器显示出高转化率(>93%)。类似地,对于2,4,6-三甲基苯-硫醇的S-烷基化(方案1),与间歇反应器(26%)相比,所有流动反应器产生超过82%的转化率。本研究强调了使用流动反应器与PTC进行双相反应的好处。

图一:(a)显示具有PTC,Q +的LLR的机理的图,其将阴离子A带到发生主要反应的有机相中。反应后,Q +也将置换的B带回水相。(b)描绘在没有PTC的LLR中可能发生的两种机制的图:界面反应和将反应物提取到发生主要反应的另一相中。粗箭头表示化学反应,而虚线箭头表示化学物质的间期转移(提取)。

此外,还在可持续性方面对连续和批量设置中的相转移催化反应进行了比较,其适用的指标包括体积和质量效率,E因子和成本。在100 te/ a生产的相同假设设计规模下,批次和连续方法显示出可比较的E因子和质量效率。虽然连续系统表现出更高的体积和能源效率以及更低的库存,但它比批量对应物需要大约50%的资本投资。

Scheme1 4-使用四丁基溴化铵(TBAB)作为PTC在双相流动二氯甲烷(DCM)和水中实现四丁基苯酚的O-烷基化和2,4,6-三甲基苯-硫醇的S-烷基化

没有相转移催化剂的反应:

没有PTC,双相反应发生在界面处或其中一个体相中(图1b)。后一种情况类似于与PTC的反应,不同之处在于它不需要任何催化剂来使相之间的反应物迁移。在没有PTC的大多数反应中,两种情况(界面和体积)同时发生。

与之前的讨论类似,界面的存在是质量传递限制的主要来源。该问题的经典解决方案是使用微反应器。Ueno及其同事报告了该领域最早的研究之一。在他们的研究中,芳烃的光氰化(方案2)在聚合物Y-结构的微通道中进行。光诱导了油相中芳烃的阳离子的产生。随后,在平行流的油-水界面上有效地发生阳离子和氰离子之间的氰化,产生73%的高产率。该研究鼓励微反应器中LLR的进一步发展。关于LLR微反应器的简短讨论将在本文后面介绍。

Scheme2 芘在油/水体系中的光化作用

Hisamoto及其同事研究了重氮偶联反应,发现流动系统不仅提高了反应速度,而且使副反应最小化。在他们的实验中,副反应在主要产物和重氮盐的存在下发生并形成双嗪副产物。但是,通过将主要产物从水相快速转移到有机相中,副反应减少。

有时将均相液体反应多相化为双相条件以进行过程强化。作为最近的一个例子,Reymond及其同事证实了在连续流动填充床反应器中甲酸甲酯水解成甲醇和甲酸。使用流动反应器,消除了质量传递。本研究中使用的甲酸甲酯的进料浓度超过了甲酸甲酯在水中的饱和度;因此,它出现了双相(液-液)。与均相体系中的产率相比,高浓度甲酸甲酯和高质量转移的组合导致产率增加约1.6倍。

此外,LLR还为聚合物化学提供了独特的机会,因为界面充当分子螺旋痉挛,其加强并使两个或更多个分子一起反应。虽然大多数相关文章都强调批量合成方法,但可以参考更多的界面LLR实例。

用于连续流动中液- 液反应的常规工具:

用于LLR的反应器需要限制流动,使得两个或更多个相之间的相互作用最大化。常规设计包括微通道和填充床。反应器可以经受一些效果,例如超声处理和微波辐射,以增加混合。本节概述了这些主题。

微通道和平板反应器:微通道已经成为LLR的潜在工具,因为可以产生小尺寸或微米尺寸的液滴以提供明确且大的界面区域。在微通道中,特定的流动状态或液滴尺寸可以精确控制。这解决了间歇式反应器中的问题,其中由于在整个罐中空间不一致的搅拌,液滴的尺寸可以广泛分布,影响反应的产率和生产率。最近出现了关于液-液微流的优秀综述。

实验室规模的搅拌反应器中的界面面积与体积比在10-40m

2

m

-3

范围内,这显着小于毛细管微反应器中获得的界面面积与体积比。Ghaini等研究了当微通道内径在0.5-1.0mm范围内时,毛细管微反应器中的界面面积在830和3200 m

2

m

-3

之间。微反应器中增强的质量传递也可以通过测量的质量传递系数(k

L

a)来确认。与传统的液-液接触器相比,微通道中k

L

a的值为10

-2

至100s

-1

。其中kLa的值在10

-5

至10

-2

s

-1

范围内。传统接触器的低k

L

a值可以控制或限制总反应速率。例如,油与甲醇和乙醇的双相碱性酯交换的动力学表征为具有相似的质量传递和固有反应速率。在先前的文章中已经概述了使用微结构反应器进行LLR的优点。

在不同类型的双相流动状态中,最常使用分段和液滴流动。分段流动提供稳定的界面以及内部循环,增加了传质。随着段塞长度的减少,内部循环增加。Jovanovi等通过改变相比来检测微通道中苯基乙腈的相转移催化烷基化。使用250μmPEEK毛细管,有机相润湿微通道,而水相形成嵌段。较高的水-有机比导致较大的界面面积和转化率。然而,选择性降低,因为较高的动力学也促进了连续烷基化,这反过来导致更多的副产物。在微反应器中,它们能够精确控制界面面积并同时优化转化率和选择性。

如前所述,微结构反应器不仅有利于传质,而且有利于传热。杜曼等人证明了在具有0.75mm直径的PTFE毛细管中单环芳族化合物的硝化。从毛细管中快速释放热量可以有效控制等温条件。

一些微通道被设计成蜿蜒和蛇形,以使每个区段内的不对称循环,从而使Wenn等人更好地混合。表明具有微米的微反应器可用于进行两相反应的动力学分析。作为最近的一个案例研究,Gutmann等人在市售微反应器中进行二氟甲基化,在有机-水条件下具有混合结构和延伸管。使用背压调节器对流动过程加压以允许在升高的温度下进行研究,这可以潜在地最小化副产物和二氟卡宾中间体的分解。在合理的停留时间(24分钟)和温和的温度(40℃)下实现了具有高产物选择性(95%)的完全转化率(98%)。

当通道变得大于1mm时,可以将其视为毫通道。毫通道用于处理更高的流速。它可以简单地是聚合物或金属线圈。螺旋管弯曲90°的螺旋流逆变器被证明比常规螺旋管或直管反应器更有效地增强LLR。在毫通道中已经证明了不同的LLR。例如,在ID为1.6mm的通道中,在250psi的压力下,在有机溶剂(甲苯)中的中间醇基与水溶液中的甲胺基之间进行胺化。这种双相流有效地产生用于合成氟西汀的中间体氨基醇。另一个重要的例子是Vapourtec在一个毫米级流动反应器中将碳水化合物脱水成增值产品,包括5-(氯甲基)糠醛和5-(羟甲基)糠醛(方案3); 这两种产品分别在60秒和15分钟的短停留时间内生产。这被证明比传统的分批方法更有效,传统的分批方法需要几小时的停留时间。

Scheme3在双相条件下将碳水化合物转化为5-(氯甲基)糠醛

此外,其他效果,如超声和微波辐射,被引入双相反应,以促进传质。超声波通过在液-液界面附近产生空穴坍塌来加强反应。在分段流动中,超声处理显示出比微波更有效。Riccaboni等据报道,即使在不存在相转移催化剂的情况下,超声处理在产率和停留时间方面也能有效地改善反应。在他们的研究中,超声波流动中的Wittig烯烃形成反应(方案4)在5分钟内产生96%的分离产率,这显着高于超声烧瓶中的产率(在1小时内70%分离产率)。这个简单和快速方案可以替代传统方案,其需要有毒且昂贵的相转移催化剂。

Scheme4 通过双相Wittig反应合成肉桂酸4-甲氧基酯

填充床反应器:填充床反应器广泛用于增强不同操作中的混合,例如液-液反应和溶剂萃取。这是因为当液滴穿过填料颗粒之间的开口时液滴被拉长,从而为化学物质的运输创造了额外的界面区域。这种类型的反应器在许多合成化学中起着至关重要的作用,特别是在流动中的交叉偶联反应。偶联反应包括使用无机碱和形成盐副产物。因此,已经开发了用于这些类型反应的双相系统,以允许有机和无机组分的溶解度通常与相转移催化剂Nol等人。使用填充床进行双相Suzuki-Miyaura交叉偶联反应(Scheme5)。在他们的研究中,微反应器设置被设计为望远镜两个反应步骤。首先,将酚与三氟甲磺酸酐(Tf

2

O)合并,并在单相反应中转化为三氟甲磺酸酯。通过在线液-液萃取除去副产物和过量试剂如乙胺和盐。然后中间体芳基三氟甲磺酸酯在400μL反应器中经历双相Suzuki-Miyaura交叉偶联反应,其包含60-125μm不锈钢球的填料,允许有效混合以及热传导。

Scheme5从酚类两步合成联芳基

最近开发的连续流液液反应工具:

尽管微反应器被认为是用于连续流化学处理的有前景的技术,但是难以通过向上扩展或向外扩展方法将它们应用于生产。在本节中,我们的目标是为LLR提供一些最新开发的支持工具。

许多流动反应器已在市场上商业化,以处理高达100mL min

-1

的流速。例如,康宁开发了几种型号的玻璃流体反应器,其水力直径在0.3-4毫米的范围内。反应器含有内部元素,迫使流体分裂和重新组合,导致细小和稳定的乳液(图2a)。康宁先进的流量反应器(AFR)可用于中间流速的化学处理(推荐10-200mL min

-1

)。由于大的界面面积(103-104m2 m

-3

),CorningAFR被发现具有良好的混合(高k

L

a值为1.9-41s

-1

),这与微反应器的相当。CorningAFR可以促进与微反应器相比,生产率提高650-700倍,从而扩大了酒精氧化程度。

图二:(a)CorningAFR的可视化显示精细和稳定的液滴。(b)在LL-菱形混合单元中混合和流过区域的不同布置。

LL-Rhombus混合装置具有与Corning反应器类似的几何形状,除了LL-菱形单元没有弯曲的流动阻碍以避免液滴聚结。Mielke等人最近研究了两个区域之间的排列影响:混合和流通区域(图2b); 两个区域的水力直径分别约为0.7和2.9毫米。以10-190mL min

-1

的操作速率使用4-硝基苯基乙酸酯的碱性水解作为案例研究,他们发现仅具有混合单元的微反应器由于最大的能量耗散率而产生最高的总传质系数。而且,具有相同数量的混合单元的不同间隔布置在转换方面产生类似的结果,表明混合单元的数量比布置本身具有更重要的作用。虽然静态混合在许多LLR应用中很普遍,但它有一些主要的缺点。首先,混合性能随流速而变化。其次,流动阻塞会导致压力增加,特别是在高流速时。如图3所示,Mandrelli等构建了一个反应塔,而不是使用静态混合器,其中连续搅拌釜反应器以垂直系列级联。在CSTR的每个阶段,安装Rushton涡轮搅拌器以使双相流均匀化。流速,搅拌速度和阶段开口尺寸必须一起优化,以避免相累积和回混;前一个问题影响试剂偏离进料的比例。流动中的模型反应(在Me-THF/ H

2

O系统中的双烷基化,如Scheme6中所示)的结果与微波批量反应器的结果相当。

Scheme6由苄胺与1,5-二溴戊烷的双烷基化制备N-苄基哌啶

图三:最近设计的用于液- 液反应的反应塔

Mo和同事设计了微型CSTR,用于非接触式磁耦合,如图4所示。腔室由PTFE制成,具有良好的化学兼容性。通过从己烷中将苯酚萃取到水中测量总传质系数,发现其大约为10s

-1

。它们的CSTR进一步用于两个反应:不对称相转移催化反应(Scheme7)和Suzuki-MiyauraC-C偶联反应(Scheme8)。合理的产率表明它们的CSTR有效地消除了传质限制。

Scheme7 N-(二苯基亚甲基)甘氨酸叔丁酯的不对称苄基化

Scheme8 双相Suzuki-Miyaura钯催化的C-C偶联反应

用于液-液反应的集成连续流动过程:

许多LLR示例使用内联分离实现,使整个过程完全连续。Peer等报道了连续双相醇氧化,采用在线膜基分离,从产品中除去催化剂和相转移催化剂(PTC)。如图5所示,有两个进入的流:含有过氧化氢(H

2

O

2

)和多金属氧酸钨(POM)催化剂的含水流和含有醇基和PTC的有机(甲苯)流。该反应首先在螺旋微反应器中进行优化,并在CorningAFR中放大约650倍而没有任何转化损失。在反应器之后,实施基于膜的分离器以分离出含有POM的水相。然后,使剩余的有机物流流过多级膜基分离器,从产物中提取PTC。

图四:用于液-液反应的小型CSTR(比例尺为5 mm)

图五

最近,Teoh等人证明了在连续模式下从产品中分离出PTC后的循环。在他们的实验中,正丁基溴化铵(TBAB)用作O-烷基化的PTC。通过调节离子强度以形成第三层或中间层来实现TBAB的回收。使用这种方法,每次回收58-76%的TBAB。使用再循环TBAB的反应的反应性能与使用新鲜催化剂观察到的相当。该研究举例说明了具有集成分离和再循环的双相反应系统。

Loponov等通过过二硫酸铵(Sheme 9)以连续流动方式进行苯乙烯的二羟基化。该反应涉及非常活泼的氧化剂,过氧化二硫酸盐(S

2

O

8

2-

),其必须以稀释的水溶液形式使用。这是第一项纳入用于乳化的交叉流动膜组件(图6)以及用于质量传递增强的振荡流动反应器(OFR)的研究。OFR包含周期性收缩,其与流动振荡相互作用以改善质量传递行为,尤其是当乳化液滴小于60μm时。然后向该双相产物流中加入乙酸乙酯以萃取二醇产物并回收氧化剂以进行可能的再循环。将双相流送至沉降器进行基于密度的分离。

Scheme9 过二硫酸铵对苯乙烯的二羟基化反应和二醇产物连续萃取到乙酸乙酯中

在某些情况下,反应和分离可以在同一模块中进行。实例包括反应性萃取,其是双相操作,尽管反应可以被认为是单相的。通常引入另一种不混溶相以提取特定组分,即产物或不需要的副产物。例如,Lueckgen等人使用分段流进行反应性萃取,从果糖合成5-羟甲基糠醛(HMF),产率超过80%。类似地,如图7所示,Zhou等人设计了一种膜微反应器,其将水相分散到有机(MIBK)相中以产生HMF。膜由不锈钢制成。一旦产生HMF,就将其萃取到有机相中以防止HMF转化为其他不需要的产物,例如乙酰丙酸。整个过程导致HMF的更高产率和选择性。与搅拌槽相比,微反应器中HMF的产率(4分钟内产率为81.5%)大大提高(60分钟内产率28.7%)。

图六:用于乳化用于流动中二羟基化的膜组件

图七:用于HMF生产的反应提取模块

如图8所示,Ilmi等人最近,连续搅拌釜式反应器(CSTR)与连续离心接触器分离器(CCCS)级联,用于从向日葵油和1-丁醇合成脂肪酸丁酯。反应物流是双相的,含有有机物(甘油三酯,1-丁醇,己烷)和水相(脂肪酶水溶液)相。使用150g L

-1

的酶,取决于所用的停留时间(1-8小时),第一CSTR的产率为63.4%-77.9%摩尔。然而,后续CCCS后的总收率高于90% mol,证实CCCS同时用作反应器和分离器。

图八:离心接触器分离器,用于分离和反应酯合成

结论和观点

在本文中,描述了液-液反应在合成和工业化学中的作用。LLR能够使具有不同溶解度的化学物质相互作用,并允许物种和催化剂之间的简单分离。然而,液-液界面的存在被认为是大规模运输的障碍。为了加强传质,在过去几年中已经开发了几种使能工具。发现微通道和填充床柱比传统的搅拌罐更有效; 然而,它们难以扩大规模。最近对康宁AFR,微型CSTR和振荡流反应器等连续反应器的研究证明,它们是LLR的有前景的工具。这些反应器与在线分离的集成使整个过程完全连续,从而消除了任何手动操作。

由于流动化学领域不断增长,LLR的使能工具的开发可能会增加。首先,分析和制备规模的工具可用于探索液-液反应以及条件的优化。例如,自动平台,如振荡流反应器,可用于以高通量方式筛选各种条件。在研究反应后,可能需要全面了解液-液流动特性来创建合理设计流动反应器或工具。计算流体动力学(CFD)可用于阐明流场并提供传质性能的见解和预测。最后,液-液流动反应器可以与在线分离结合以回收产物或分离反应物和催化剂。许多合适的分离器,例如基于膜的分离器,是即插即用装置。进一步的研究将集中于提高分离效率(例如,多阶段提取),使得试剂和溶剂消耗最小化。

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