劉建武，嚴(yán)生虎，張 躍

（1.常州大學(xué)制藥與生命科學(xué)學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.石油和化工行業(yè)連續(xù)流技術(shù)工程實驗室，江蘇 常州 213164）

乙醛酸又名甲酰甲酸，由于其兼具醛和酸的性質(zhì)，可與很多化合物發(fā)生縮合或成環(huán)縮合反應(yīng)。工業(yè)上常用于合成香蘭素、膠囊素、對羥基苯甘氨酸、對羥基苯乙酸等醫(yī)藥及醫(yī)藥中間體，用途非常廣泛，具有很高的實用價值[1,2]。

目前乙醛酸的生產(chǎn)方法主要有乙二醛氧化法[3]、草酸電解還原法[4]、乙醇酸選擇氧化法[5]、次氯酸鈉氧化法[6]、順丁烯二酸干臭氧化法[7]和丙烯酸氧化法[8]等，其中乙二醛氧化法和草酸電解還原法均已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，但是乙二醛氧化法存在溶劑損耗較大、設(shè)備易腐蝕、原料利用率低、產(chǎn)品質(zhì)量較差、環(huán)境污染嚴(yán)重等缺點；草酸電解還原法存在設(shè)備空時收率較低、產(chǎn)品中含有大量難以分離的草酸等缺陷；乙醇酸選擇性氧化法的不足在于合成成本較高，該工藝有待獲得關(guān)鍵性的高選擇性催化劑；次氯酸鈉氧化法反應(yīng)條件溫和，但反應(yīng)產(chǎn)物分離困難，原料價格高，產(chǎn)品收率和品質(zhì)都不理想；丙烯酸氧化法存在雙氧水濃度分布難以控制、反應(yīng)過程容易“飛溫”，操作繁瑣危險，反應(yīng)時間長，過程中同時副產(chǎn)等摩爾量的甲酸，催化劑制備較復(fù)雜。目前工業(yè)化生產(chǎn)乙醛酸的反應(yīng)器均為攪拌反應(yīng)釜，反應(yīng)體系中往往存在液-液非均相傳質(zhì)障礙，常常需要加入大量溶劑使體系均相化，同時溶劑的加入也加重了乙醛酸產(chǎn)物的后續(xù)分離提純負擔(dān)，而且乙醛酸反應(yīng)需要在液體底物與固體催化劑有充分接觸下才能發(fā)生，釜式反應(yīng)難以實現(xiàn)理想的液-液相間傳質(zhì)，且反應(yīng)效率低，物料返混嚴(yán)重，反應(yīng)時間長[8]。另外，液相氧化反應(yīng)中雙氧水極易分解，釋放出氧氣和大量的反應(yīng)熱，使反應(yīng)物、溶劑大量蒸發(fā)，與氧形成爆炸性的混合有機蒸汽，無法滿足工業(yè)化生產(chǎn)中對溫度精確控制的工藝需要，存在控溫效果差、“飛溫”風(fēng)險高、安全性差、活性氧溢出量大、物料蒸汽爆炸性危險高等突出問題[9]。

利用連續(xù)流微通道反應(yīng)技術(shù)進行丙烯酸液相氧化連續(xù)化合生成乙醛酸產(chǎn)品，可多方面解決已有工藝技術(shù)存在的諸多不足，是對常規(guī)釜式攪拌反應(yīng)器中氧化工藝的突破。微通道反應(yīng)器具有反應(yīng)空間狹小與比表面積巨大的結(jié)構(gòu)特性，可以強化傳質(zhì)與傳熱，精確控制反應(yīng)溫度，防止“飛溫”以及副產(chǎn)物的產(chǎn)生，同時微通道反應(yīng)器持液量小，停留時間短，強傳質(zhì)、傳熱效果等特點，避免原料雙氧水在反應(yīng)器中積聚，提高丙烯酸氧化反應(yīng)的安全性[10,11]。

本文作者設(shè)計開發(fā)出以丙烯酸為底物，H2O2為氧化劑，V2O5為催化劑，在具有特殊微結(jié)構(gòu)的金屬通道反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)雙氧水液相氧化生成乙醛酸產(chǎn)品。考察了物料物質(zhì)的量比、催化劑種類、催化劑用量、雙氧水濃度、反應(yīng)溫度、停留時間對氧化反應(yīng)的影響。采用完全連續(xù)化方式進行，實現(xiàn)了氧化過程的全程自動控制，避免了間歇反應(yīng)中物料濃度低、溶劑量大、原料利用率低的缺陷，有效避免了過度氧化，提高了乙醛酸的選擇性；同時通過精確控制溫度和停留時間，有效防止酸性條件下的雙氧水過度分解，減少氧氣的積聚，防止“飛溫”，提高了反應(yīng)裝置的安全性，反應(yīng)效率也顯著提升。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

丙烯酸：化學(xué)純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；乙酸、雙氧水：分析純，上海申博化工有限公司；五氧化二釩、氯化銅：分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；七水合硫酸亞鐵：分析純，宜興市第二化學(xué)試劑廠；氯化鈀：分析純，薩恩化學(xué)技術(shù)（上海）有限公司；水合硫酸鉻、醋酸鈷：分析純，阿拉丁化學(xué)試劑（上海）有限公司；磷酸：MOS級，天津市化學(xué)試劑三廠。

液相色譜儀：CXTH型，北京創(chuàng)新通恒科技有限公司；超高精度便攜式計量泵：HYM-PO-B2-NS-08型，日本FUJI-Techno Industries公司；delta隔膜計量泵：德國Prominent公司；質(zhì)量流量控制器：Mini CORI-Flow型，荷蘭Bronkhorst公司；加熱冷卻控制系統(tǒng)：LENYA型，無錫冠亞恒溫冷卻科技公司；低溫恒溫槽：DC-3030型，上海橫平儀器儀表廠；管道及閥門：PFA（1/8英寸），美國Swagelok公司。

IFR金屬微通道反應(yīng)器采用模塊化設(shè)計，由若干具有全混流特征的微型脈沖結(jié)構(gòu)單元串聯(lián)組成（圖1）。微通道模塊由管程和殼程組成，物料經(jīng)計量泵在管程區(qū)域內(nèi)預(yù)熱、混合并反應(yīng)，殼程區(qū)域內(nèi)的熱傳導(dǎo)介質(zhì)控制微通道內(nèi)物料溫度，換熱系數(shù)為2000 kW/(m2·K)，反應(yīng)器比表面積3000 m2/m3。 熱傳導(dǎo)介質(zhì)經(jīng)換熱器控溫，并在殼程與換熱器之間形成閉路循環(huán)流動。微通道反應(yīng)器系統(tǒng)通過組合反應(yīng)模塊、連接件、物料輸送裝置，可同時實現(xiàn)流體與管壁充分接觸進行有效的熱交換，實現(xiàn)混合與換熱的集成。

圖1 IFR金屬微通道反應(yīng)器模塊結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 實驗過程

實驗按照圖2工藝流程搭建裝置。在室溫下，將原料丙烯酸、催化劑和溶劑按一定比例混合，在不斷攪拌下配成丙烯酸的混合溶液，和雙氧水作為反應(yīng)物料，經(jīng)計量泵分別進入微通道反應(yīng)器中的預(yù)熱模塊進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度由外部換熱器進行控制。通過計量泵控制物料的流量，使預(yù)熱后的物料同步進入不同通道結(jié)構(gòu)的微通道反應(yīng)器模塊內(nèi)進行混合和反應(yīng)。反應(yīng)過程完成后，產(chǎn)物從微通道反應(yīng)器的出口流出，進入一個密閉壓力容器內(nèi)收集反應(yīng)料液，放入冰水中淬滅冷卻，經(jīng)過濾分離、蒸餾得到乙醛酸，通過HPLC分析各組分含量。

圖2 丙烯酸氧化連續(xù)流工藝流程圖

1.3 反應(yīng)機理

丙烯酸與雙氧水氧化反應(yīng)機理見圖3。

圖3 丙烯酸與雙氧水氧化反應(yīng)機理

雙氧水氧化丙烯酸反應(yīng)中，催化劑V2O5先與雙氧水反應(yīng)生成VO5-(A)，A與帶有供電子基取代的雙鍵進行環(huán)加成，生成中間體B，然后B分解生成醛基以及VO3-。最后VO3-被雙氧水氧化生成VO5-，循環(huán)參與反應(yīng)[12,13]。

1.4 分析方法

采用高效液相色譜法進行定量分析，條件為：4.6 mm×250 mm C18柱；檢測波長210 nm；流動相：pH 2.7磷酸水溶液；柱溫25℃；流速0.5 mL/min；進樣量10 μL。

2 結(jié)果與討論

在微通道反應(yīng)器中進行了雙氧水氧化丙烯酸的連續(xù)式實驗，考察了物料的物質(zhì)的量比、催化劑種類、催化劑用量、雙氧水質(zhì)量分?jǐn)?shù)、反應(yīng)溫度、停留時間對氧化反應(yīng)的影響。

2.1 物料配比的影響

工藝條件：n(V2O5):n(C3H4O2)=0.04:1.00，w(H2O2)=35%，反應(yīng)溫度60℃，停留時間7.5 min，考察不同物料物質(zhì)的量比對反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 物料物質(zhì)的量比對反應(yīng)的影響

由圖4可以看出，隨著雙氧水量的增加，丙烯酸的轉(zhuǎn)化率逐漸增加，隨后趨于平緩，而乙醛酸的選擇性則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)n(H2O2):n(C3H4O2)=3.10時，乙醛酸的收率最高。隨著氧化劑用量的增加，雙氧水濃度相對于丙烯酸濃度會逐漸增加，因此丙烯酸被氧化的概率提高，丙烯酸的轉(zhuǎn)化率升高；但當(dāng)雙氧水用量過多時，由于體系內(nèi)乙醛酸濃度逐漸增大，因此與雙氧水發(fā)生氧化反應(yīng)的概率也增大，導(dǎo)致乙醛酸被深度氧化，轉(zhuǎn)化率下降。

2.2 催化劑種類的影響

工藝條件：n(H2O2):n(C3H4O2)=3.20:1.00，w(H2O2)=35%，反應(yīng)溫度60℃，停留時間7.5 min，考察不同催化劑對反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 不同催化劑對反應(yīng)的影響

由圖5可以看出，在本文考察的六種催化劑中，雖然氯化鈀的催化效果比較好，但是價格昂貴，所以結(jié)合經(jīng)濟效益，V2O5的催化效果最佳，丙烯酸的轉(zhuǎn)化率達到86.5%，乙醛酸選擇性達到77.2%。鈷、鐵、鉻、銅、釩均為過渡周期中的變價金屬，變價金屬化合物的催化活性取決于其自身的氧化-還原電位差的大小，高價離子趨于被還原，低價離子趨于被氧化。雙氧水氧化丙烯酸是一個自由基反應(yīng)，在反應(yīng)過程中會不斷發(fā)生氧化-還原反應(yīng)以及電子交換。釩離子的氧化還原電位較高，這也就決定了其催化活性的優(yōu)勢。因此本實驗選用V2O5作為催化劑。

2.3 催化劑用量的影響

工藝條件：n(H2O2):n(C3H4O2)=3.20:1.00，w(H2O2)=35%，反應(yīng)溫度60℃，停留時間7.5 min，考察催化劑用量對反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖6。

圖6 催化劑用量對反應(yīng)的影響

由圖6可以看出，隨著V2O5用量的增加，丙烯酸的轉(zhuǎn)化率逐漸增加，隨后趨于平緩，乙醛酸的選擇性則呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。雙氧水氧化丙烯酸反應(yīng)主要依賴于催化劑的催化作用，過渡周期變價金屬的變價反應(yīng)可以促進氧化反應(yīng)的進行，V2O5作為催化劑在反應(yīng)過程中起到非常關(guān)鍵的作用，初始狀態(tài)的V5+被氧化為V9+，然后與丙烯酸進行環(huán)加成，所以V2O5的用量與丙烯酸的轉(zhuǎn)化率呈正相關(guān)。但是過量的V2O5會與體系中的乙醛酸發(fā)生副反應(yīng)，導(dǎo)致選擇性下降。

2.4 雙氧水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

工藝條件：V2O5為催化劑，n(H2O2):n(C3H4O2):n(V2O5)=3.20:1.00:0.04，反應(yīng)溫度60℃，停留時間7.5 min，考察了雙氧水質(zhì)量分?jǐn)?shù)對反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖7。

雙氧水質(zhì)量分?jǐn)?shù)不但會影響反應(yīng)速率，同時也會影響乙醛酸的選擇性。由圖7可以看出，隨著雙氧水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，丙烯酸轉(zhuǎn)化率先增大后趨于平緩，乙醛酸選擇性則先增大，當(dāng)雙氧水質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于35%時，乙醛酸選擇性降低。因為雙氧水質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，使丙烯酸氧化速率加快，丙烯酸轉(zhuǎn)化率增大。但隨著反應(yīng)的進行，體系中乙醛酸濃度不斷增加，若繼續(xù)增加雙氧水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，也會加快乙醛酸被氧化的速率，導(dǎo)致乙醛酸選擇性下降。因此當(dāng)雙氧水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%時反應(yīng)最佳，此時丙烯酸轉(zhuǎn)化率為86.5%，乙醛酸選擇性為77.2%。

圖7 雙氧水質(zhì)量分?jǐn)?shù)對反應(yīng)的影響

2.5 反應(yīng)溫度的影響

工藝條件：V2O5為催化劑，n(H2O2):n(C3H4O2):n(V2O5)=3.20:1.00:0.04，w(H2O2)=35%，停留時間7.5 min，考察反應(yīng)溫度對反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖8。

圖8 反應(yīng)溫度對反應(yīng)的影響

由圖8可以看出，丙烯酸的轉(zhuǎn)化率隨溫度的升高而升高，隨后趨于平緩，乙醛酸的選擇性則呈先升后降的趨勢。 這是因為雙氧水氧化丙烯酸反應(yīng)需要一定的反應(yīng)溫度引發(fā)，溫度越高，引發(fā)時間越短，因此升高溫度有利于丙烯酸氧化反應(yīng)的發(fā)生，丙烯酸轉(zhuǎn)化率增大。微通道反應(yīng)器依靠外部換熱器的高效熱交換系統(tǒng)，可以有效地控制通道內(nèi)部溫度的均勻分布，對氧化過程熱量變化實時響應(yīng)。乙醛酸的選擇性先升后降，這是由于溫度的升高有利于丙烯酸氧化生成乙醛酸，因此其選擇性增大；但是溫度過高乙醛酸會被過度氧化生成乙二酸，導(dǎo)致乙醛酸選擇性下降。

2.6 停留時間的影響

工藝條件：V2O5為催化劑，n(H2O2):n(C3H4O2):n(V2O5)=3.20:1.00:0.04，w(H2O2)=35%，反應(yīng)溫度60℃，考察停留時間對反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖9。

圖9 停留時間對反應(yīng)的影響

由圖9可以看出，丙烯酸的轉(zhuǎn)化率隨停留時間的延長不斷增加，隨后趨于平緩，而乙醛酸的選擇性則先升后降；當(dāng)停留時間為7.5 min，乙醛酸選擇性最大。隨著停留時間的延長，VO5-自由基積累量增多，單位截面上丙烯酸與有效氧化物接觸的時間延長，所以丙烯酸的轉(zhuǎn)化率增大。同樣的，隨著停留時間的延長，反應(yīng)生成的乙醛酸與氧化活性成分也有大概率接觸，使得副反應(yīng)增加，導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)物乙醛酸的選擇性下降。

3 結(jié)論

（1）以丙烯酸為底物，H2O2為氧化劑，V2O5為催化劑，在具有特殊微結(jié)構(gòu)的金屬微通道反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)液相氧化生成乙醛酸。篩選出最佳工藝條件為：n(H2O2):n(C3H4O2):n(V2O5)=3.20:1.00:0.04，w(H2O2)=35%，反應(yīng)溫度60℃，反應(yīng)時間7.5 min，此時丙烯酸轉(zhuǎn)化率達93.4%，乙醛酸選擇性高達89.4%。

（2）連續(xù)流微通道液相氧化解決了傳統(tǒng)釜式反應(yīng)存在操作繁瑣、氧化過程易“飛溫”、氧化深度難以控制、產(chǎn)品區(qū)域選擇性低等缺點，通過精確控制溫度和停留時間，實現(xiàn)了乙醛酸的高效安全生產(chǎn)。