杏彩注册:连续流氢化系统的通用性和优异性应用案例：用于选择性

　　氰基化合物选择性催化氢化生产的伯胺广泛用作基础化学品，然而由于加氢机理的复杂性以及间歇反应的传质效果不佳，过程中易于产生并非目标的仲胺与叔胺作为副产物。

　　在本研究中，建立了一套以微填充床反应器为基础的连续流动氢化系统用于3-乙氨基丙腈的选择性加氢合成N-乙基-1，3-丙二胺。结果:在使用Raney Cobalt作催化剂，最佳的实验条件下，实现了3-EAPN的完全转化，并获得了99.67%的高伯胺（3-EAPA）选择性。

　　用其他不同结构的氰基化合物对该系统进行了加氢底物的拓展，选择性均在99.3%以上，转化率在99.1%以上。该以微填充床反应器为基础的连续流动氢化系统对腈加氢的普遍适用性。

　　对间歇式高压釜反应器(100 mL)和μPBR中的催化加氢性能进行了比较，在微填充床反应器中99.48%的选择性高于间歇反应器99.0%的选择性。微填充床的时空收率523.3(g·L-1·h-1)相比反应釜的时空收率53.5(g·L-1·h-1）提高近9倍（STY）。

　　有价值的胺的绿色合成与氢分子的选择性还原密切相关，构建C−N单键来生成胺也是合成化学和化学工业中最重要的目标之一。有机胺化合物，尤其是伯胺，是广泛应用的大宗化学品，作为精细化学品应用于医药、农药、乳化剂及增塑剂的生产过程。目前合成伯胺的方法主要有以下几种：如氰基化合物的还原，醇的直接胺化，羰基化合物的还原胺化等。

　　对于催化加氢反应来说，催化剂自身性质是决定性的因素。目前，用于氰基化合物加氢的催化剂主要被分为均相催化剂以及非均相催化剂两类，其中均相催化剂常用到钴，镍、锰、钼、铁等非贵金属的有机配合物作催化剂，但由于其难以分离，制备过程复杂的问题，基本无法用于工业生产。而非均相催化剂由于其可以重复利用，制备相对简单等优势，一直是工业上氰基加氢的主要催化剂。非均相催化剂主要有骨架型（Raney Co、Raney Ni等）催化剂以及负载型催化剂，如Pd、Pt、Ru基负载催化剂等。其中镍、钴基等非贵金属催化剂由于其相对低廉的价格受到研究者的关注。

　　目前，间歇式反应器因其结构简单、技术成熟，已广泛应用于精细化工和制药行业。目前，由于氰催化加氢还原反应器技术成熟、结构简单，业内大部分氰催化加氢还原反应仍采用反应器间歇合成法。但其仍存在传质、传热过程差、返混严重、安全性差等问题。连续流加氢反应的优点是易于改变反应参数、催化剂可循环使用、生产效率高等。此外，反应物的连续引入可在较小的反应空间、较清晰的温度场和流场中进行接触反应，并被连续地从反应空间中排出，降低了副反应的风险。

　　随着微反应器和微流控技术的不断发展，微反应器在多相连续催化加氢过程中的应用已成为目前研究的热点。传统方法受限于氢气扩散到溶剂中的速率，而微反应器则不同，它能提供更好的气液接触和传质增强，使氢气在溶剂中迅速饱和，从而增强气液催化剂的相互作用，显著提高反应速率和催化剂利用率。催化剂以各种形式被引入微反应器，催化静态混合器和微填料床反应器和其他催化微反应器也应运而生。和其他催化微反应器在各种加氢反应中表现出了卓越的反应性能。微填充床反应器的功能与传统填充床反应器类似，但其颗粒尺寸比传统反应器小几个数量级。因此，除了高度湍流条件外，这些反应器还具有非常高的比表面积，从而大大改善了其质量和传热过程。这些是仅通过对催化剂的改性以及助剂的调控无法解决间歇反应中选择性差的问题。微反应器目前主要用于实验室规模的开发，但可通过体积放大应用于工业生产。

　　以往关于腈加氢的研究表明，该反应的转化率和选择性主要受催化剂特性以及其他工艺条件（如温度、H2 压力和流速、液体空速、添加剂、底物浓度和溶剂）的影响。此外，反应器的选择也非常重要。在本研究中，我们建立了一个微填充床连续流氢化系统，用于 3-乙基氨基丙腈的催化加氢，并研究了不同催化剂、工艺参数和反应器对转化率和选择性的影响。最后，我们扩展了氢化底物，证明了连续流氢化系统的通用性和优异性能。

　　作为反应物的3-乙氨基丙腈是在实验室中制得（AR，99%）未经过任何纯化。溶剂甲醇（AR，99%），乙醇（AR，99%），异丙醇（AR，99%），乙二醇（AR，99%）均由西陇科学股份有限公司处购买。使用的助剂NaOH（＞96%），KOH（＞85%），MeONa（30 wt% in MeOH）,Na2CO3（99.9%），NH3（25%-28% in H2O）由麦克林试剂处购得。氢气（H2，99.99%），氮气（N2，99.99%）由沈阳化工研究院提供。实验过程中使用的催化剂，钯/碳颗粒催化剂（Pd/C，5 wt%），钌/碳颗粒催化剂（Ru/C，5 wt%），镍/碳颗粒催化剂（Ni/C，20 wt%）以及雷尼钴催化剂均是由沈阳化工研究院处获得。粒径平均400-500 μm的铂/碳颗粒催化剂（Pt/C，5 wt%）是在实验室中制得。

　　图1展示了在微填充床反应器中对连续流氰加氢的实验方案。其中，氢气由高纯氢气发生器（欧世盛（北京）科技有限公司）制得，与氮气一起通过连续流动加氢系统（H-Flow S10，欧世盛科技有限公司）的最大流速100 sccm的质量流量送入气液微混合器。同时，反应物溶液由连续流动加氢系统的柱塞泵（最大流量10.0 ml/min，最大泵头压力10 MPa）送入气液微混合器。质量流量与柱塞泵均在连续流加氢系统中，与电脑的连续加氢系统连接并受软件控制。为了防止质量流量被液体损害，在质量流量后装有单向阀。气液微混合器后连接的是微填充床反应器，长约30 cm，内径约为5.39 mm。为了控制反应温度，气体与液体在进入微填充床反应器之前就会通过预热器（浸入油浴的加热管线），通过温度传感器来精准测定反应的温度。此后反应液与多余的气相会通过一段延时反应器后进入带有气体背压阀的气液分离系统，通过该阀门可以调节系统内的压力。同样地，背压阀以及温度控制系统也受电脑软件控制。这些连接到电脑的装置构成了整个连续流动加氢系统。

　　在开始反应前应首先检查系统的密封性，而后分别进行氮气与氢气对系统的置换。设置好反应系统所需的温度以及压力，待达到设定的温度后，就可以向反应器中送入反应液以及氢气开始连续加氢反应。当系统运行超过三倍的停留时间达到相对稳定的状态后，就可以对反应液进行取样分析。

　　在氰基氢化反应中，催化剂本身的特性是影响反应选择性和转化率的关键因素。如今，有多种催化剂可用于氰基氢化反应，如基于镍和钴的非贵金属催化剂，或基于贵金属 Pd、Pt、Ru 的非均相催化剂，这些催化剂在氰化物氢化成胺的过程中发挥着众所周知的作用。然而，在 3-EAPN 加氢反应中，使用某些贵金属催化剂得到的结果并不令人满意。在此，我们选择了对氰化物加氢反应有效的 Ru/C、Raney Co、Pd/C、Ni/C 和自制的 Pt/C 等共 5 种催化剂进行筛选。实验结果见表 1。

　　从表1可以看出，当使用 Raney Co 作为催化剂时，反应在 70 ℃ 时显示出 100% 的高转化率和惊人的 99.67% 的高伯胺选择性，仅产生少量副产物，证实了其在 3-EAPN 加氢反应中的优异催化性能；然而，对于同为非贵金属的镍基催化剂中的 5% Ni/C，虽然在同样的 70 ℃ 时伯胺选择性达到 82.5%，但转化率却是五种催化剂中最低的，仅为 8.01%。

　　在三种贵金属催化剂中，Ru/C 催化剂最为有效。使用 Ru/C 催化剂时，即使在 70 ℃ 下也能实现 3-EAPN 的完全转化，伯胺选择性接近 90%。在相对较低的温度下（50 ℃），3-EAPN 无法实现完全氢化。此时，Ru/C 催化剂获得的 3-EAPN 转化率高于 Raney Co 催化剂，而选择性则降至 72%。此外，对于钯基催化剂 Pd/C，当温度从 50 ℃ 升至 70 ℃ 时，转化率略有提高（从 24.96% 升至 28.85%），但对伯胺的选择性从 13.82% 降至 8.46%。通过对产物结果的分析，还可以看出在加氢过程中，Pd/C 产物的种类较多。而 Pt/C 催化剂在 70 ℃ 时的转化率为 11.51%，伯胺选择性为 39.16%，催化效果并不突出。因此，我们选择 Raney Co 作为连续流氰氢化的催化剂实例进行后续实验。

　　氢气压力作为一个重要的实验变量，会影响溶液中的氢气浓度，这与反应速率有关，导致不同的反应结果。此外，氢压的变化也会影响液体的滞留量和相应的液体停留时间。一般来说，H2压力的增高有利于其在反应体系中的溶解，进而影响反应的转化率与选择性。为此我们对氢气的压力对反应性能的影响进行了考察，下图2展示了随着H2压力从2.0~6.0MPa变化时，产品的组成变化。可以看出：在上述的氢气压力范围下，底物3-EAPN均能够完全转化，选择性随着压力的增大而增加，但到达4.0MPa后，再增大氢气压力，3-EAPA的选择性提升很有限。从反应系统的安全性以及成本来考虑，4.0MPa是较优的压力选择。

　　反应温度的影响温度对大部分反应都具有一定的影响，氰基加氢反应也不例外。对于该反应的伯胺选择性而言，催化剂很重要，温度则主要影响副产物的形成。

　　如下图4所示，反应应选择在低空速条件下进行（0.25-0.5 ml/min），综合3-EAPN的转化率以及3-EAPA的选择性来考虑，得出最佳的液速应选择为0.25ml/min，最佳气液比应为240：1（41.1 ml/min H2流速）。然而在液速0.5ml/min，H2流速80ml/min的条件下底物转化率大于99.9%，几乎完全转化；与此同时的3-EAPA选择性也只是减少至99.34%，但此时的空速却整整提高了一倍（3.0 h-1~6.0 h-1），再综合实际生产效率来考虑，最佳的液速为0.5 ml/min，气液比为16。