李緒根，王建芝，劉 捷，林 笑，張 程，喻發(fā)全

(武漢工程大學化工與制藥學院，湖北 武漢 430502)

精細化工在化工行業(yè)的地位十分重要，精細化學品種類多、專用性強、附加值高，廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。隨著綠色環(huán)保節(jié)能理念的提出，精細化工行業(yè)越來越注重可持續(xù)發(fā)展，綠色化工技術(shù)已成為精細化工行業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排、綠色安全生產(chǎn)的新趨勢。

氧化反應(yīng)是有機合成中最重要的化學反應(yīng)之一，是雜原子引入和官能團轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵，被廣泛應(yīng)用于精細化學品的合成[1-2]。在精細化學品的合成過程中約50%以上的關(guān)鍵步驟是氧化反應(yīng)過程，其中約90%以上是催化氧化反應(yīng)過程[3]。例如，烴類選擇性氧化可以得到許多大噸位的有機化工原料和小噸位的精細化學品；醇類選擇性氧化可以得到重要的精細化工中間體[4-5]。因此，氧化反應(yīng)是精細化學品合成不可或缺的步驟。但是傳統(tǒng)間歇式反應(yīng)器應(yīng)用于氧化反應(yīng)存在諸多問題：(1)氧化過程放熱量大、升溫速率快，使用的高錳酸鉀等強氧化劑在加熱、振蕩及與酸反應(yīng)時，易引起火災(zāi)和爆炸等；(2)在高溫熱重排反應(yīng)中，反應(yīng)溫度越高，反應(yīng)速率越快，反應(yīng)時間越短，對反應(yīng)過程傳質(zhì)、傳熱的控制就越差；(3)對反應(yīng)過程的放熱和混合速率的控制效果差，常出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象，導(dǎo)致過度氧化；(4)無法連續(xù)長時間運行，嚴重限制了工業(yè)化生產(chǎn)[6-11]。因此,急需開發(fā)一種能提高氧化反應(yīng)效率和安全性的新工藝、新設(shè)備[12-14]。

1989年出現(xiàn)了第一臺微反應(yīng)器，其應(yīng)用潛力受到廣泛關(guān)注。微反應(yīng)器是直徑為10～1 000 μm的管道式反應(yīng)器，由混合器、換熱器、反應(yīng)器、控制器等組成[15-17]。與間歇式反應(yīng)器相比，微反應(yīng)器的優(yōu)勢在于：(1)反應(yīng)系統(tǒng)是呈模塊結(jié)構(gòu)的并行系統(tǒng)，反應(yīng)器尺寸小，操作性強，能最大程度減小事故危害程度；(2)微通道的比表面積可達10 000～50 000 m2·m-3，傳質(zhì)、傳熱效率高，反應(yīng)速率在毫秒級，能避免因反應(yīng)時間過長而產(chǎn)生不穩(wěn)定的副產(chǎn)物；(3)換熱效率極高，可以精確控制物料溫度，有效避免局部過熱；(4)由于反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)是連續(xù)流動反應(yīng)，可以通過增加微通道的數(shù)量達到常規(guī)反應(yīng)器的生產(chǎn)規(guī)模[18-27]。因此，微反應(yīng)器可以實現(xiàn)大型反應(yīng)器很難或不可能完成的化學反應(yīng)[28-30]。

近幾十年來，微反應(yīng)器被廣泛用于精細化學品的合成，并取得了長足進展。作者在此對微反應(yīng)器在精細化工領(lǐng)域氧化反應(yīng)中的應(yīng)用進展進行綜述，包括烷烴氧化、烯烴氧化、醇氧化、醛酮氧化、芳香族化合物氧化、胺氧化等，以期為微反應(yīng)器的更廣泛應(yīng)用提供幫助。

1 烷烴氧化

烷烴被氧化后可得到醇、醛、酮和酸。烷烴氧化是生產(chǎn)有機化工產(chǎn)品和精細化學品的重要工業(yè)過程[31-32]。但是傳統(tǒng)烷烴氧化過程存在傳質(zhì)及傳熱效果差、轉(zhuǎn)化率低、產(chǎn)率低、反應(yīng)條件較苛刻等缺點[33]，微反應(yīng)器的出現(xiàn)為烷烴氧化提供了一條新途徑。

Willms等[34]開發(fā)了一種微反應(yīng)器模塊化設(shè)備，使用長度可變且可替換的毛細管(長100 m、內(nèi)徑1 mm)作為單個反應(yīng)器，在一定流速、溫度(75～165 ℃)和壓力(25～100 bar)下，以液體異丁烷和氧氣為原料制備過氧化氫叔丁醇(TBHP)。模塊化結(jié)構(gòu)微反應(yīng)器解決了傳統(tǒng)間歇式反應(yīng)器無法連續(xù)生產(chǎn)、不適用反應(yīng)條件苛刻且存在爆炸隱患工藝的問題，使得TBHP的制備過程可以在毛細管反應(yīng)器中完成；在停留時間為4 h時，異丁烷轉(zhuǎn)化率達到5%，TBHP 選擇性為60%。

Hofmann等[35]將工業(yè)磷酸氧釩(VPO)催化劑填充至微反應(yīng)器中，應(yīng)用于正丁烷氧化制備馬來酸酐(式1)。結(jié)果表明，當微反應(yīng)器狹縫寬度為1.5 mm、反應(yīng)溫度為410 ℃、反應(yīng)時間為48 h時，正丁烷轉(zhuǎn)化率為88%，馬來酸酐選擇性為63%，而且在正丁烷入口體積分數(shù)高達4.5%時，微反應(yīng)器仍可以實現(xiàn)幾乎等溫的操作；當微反應(yīng)器狹縫寬度增至3.0 mm時，反應(yīng)熱顯著增加，熱點溫差(熱點值與鹽浴溫度420 ℃的差值)未超過298 ℃，較工業(yè)多管式反應(yīng)器減小了約80%。證明了微反應(yīng)器對于這種典型的高放熱、非均相催化氣相氧化反應(yīng)具有較大的應(yīng)用潛力。

(1)

Pieber等[36]以加壓空氣為氧化劑、碳酸丙烯酯為綠色溶劑、三氯化鐵為催化劑，在微反應(yīng)器中進行氣液連續(xù)流動氧化2-芐基吡啶制備2-芳酰基吡啶。在三氯化鐵物質(zhì)的量分數(shù)為5%、溫度為200 ℃、停留時間為13 min時，2-芐基吡啶轉(zhuǎn)化率為99%，2-芳酰基吡啶選擇性為81%。該方法優(yōu)勢：(1)高溫高壓條件極大地增強了三氯化鐵的催化作用，不需要大量的催化劑即可獲得良好的催化效果；(2)實現(xiàn)了連續(xù)高效生產(chǎn)酮，反應(yīng)時間從數(shù)小時顯著縮短到數(shù)分鐘；(3)加壓空氣代替高純氧氣作為氧化劑，降低了生產(chǎn)成本。

Gutmann等[37]以溴化鈷為催化劑，以過氧化氫或空氣代替高錳酸鹽、鉻酸、重鉻酸鉀或硝酸等作為氧化劑，在微反應(yīng)器中氧化乙苯制備苯乙酮和苯乙酸。研究發(fā)現(xiàn)，過氧化氫氧化引發(fā)乙苯發(fā)生C-H 氧化，快速生成乙苯過氧化氫、苯乙酮等混合物；在反應(yīng)溫度為110～120 ℃、反應(yīng)時間為6～7 min、壓力為12 bar時，苯乙酮的選擇性基本實現(xiàn)100%，產(chǎn)率為66%；當反應(yīng)溫度升至150 ℃、反應(yīng)時間延長至16 min時，最終產(chǎn)物為苯乙酸，產(chǎn)率為71%。

2 烯烴氧化

烯烴在不同條件下氧化得到醇、醛、酮、酸和環(huán)氧化合物，其中環(huán)烯烴的氧化反應(yīng)是在C=C鍵上加入一個氧原子，形成一個含氧原子的三環(huán)化合物。烯烴氧化是均相催化反應(yīng)的重要工業(yè)過程，其中芳香基烯烴氧化產(chǎn)物是非常重要的有機合成中間體，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、染料、香料等領(lǐng)域[38-39]。

己二酸的傳統(tǒng)合成工藝需兩步氧化，即環(huán)己烷氧化得環(huán)己酮和環(huán)己醇的混合物，再經(jīng)硝酸氧化得己二酸。該工藝雖然成本低，但使用硝酸作為氧化劑會產(chǎn)生大量氮氧化物(N2O)。Shang等[40]以環(huán)己烯和過氧化氫為原料，以Na2WO4·2H2O為催化劑，無溶劑條件下在填充床微反應(yīng)器中合成己二酸(式2)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加適量硫酸可穩(wěn)定過氧化氫，加速水解，并形成更活躍的氧化催化劑，己二酸產(chǎn)率在20 min內(nèi)可達到50%，相比間歇式反應(yīng)器，反應(yīng)時間縮短了約96%。該方法也證實了微反應(yīng)器在直接氧化反應(yīng)中具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

(2)

Ley課題組[41]利用不銹鋼盤管(30 mL)微反應(yīng)器，以(MeCN)2PdCl2(5 mol%)和CuCl2(5 mol%)為催化劑，以分子氧(20 bar)為氧化劑，開發(fā)了一種高效連續(xù)流氧化4-甲氧基苯乙烯合成4-甲氧基苯乙醛的方法(式3)。結(jié)果顯示，在60 ℃、25 bar、停留時間為1 h的條件下，4-甲氧基苯乙烯轉(zhuǎn)化率達83%，4-甲氧基苯乙醛產(chǎn)率達74%，且副產(chǎn)物少。

(3)

驅(qū)蛔素是一種天然的雙環(huán)單萜烯，也是著名的驅(qū)蟲化合物之一，具有抗瘧、抗癌和殺線蟲活性，也被用作有機合成中間體。然而，驅(qū)蛔素熱穩(wěn)定性差，且光化學效率隨其濃度的增加而降低，從而阻礙了其大規(guī)模生產(chǎn)。Shvydkiv等[42]通過對工藝參數(shù)的優(yōu)化，在膜微反應(yīng)器中成功進行了α-萜烯的光氧化反應(yīng)(式4)，可合成選擇性高達89%的驅(qū)蛔素，合成速率為2.5～3.2 mol·L-1·h-1。膜微反應(yīng)器具有高效光透性的溶液薄膜，避免了大量含氧產(chǎn)品的生成，實現(xiàn)了潛在危險化學品的可控生產(chǎn)。

(4)

Park等[43]在兩個連續(xù)流反應(yīng)器中進行了單萜類化合物(α-蒎烯、β-蒎烯、δ-檸檬烯、α-萜烯)的光氧化反應(yīng)。在聚醚醚酮(PEEK)樹脂微反應(yīng)器(內(nèi)徑0.5 mm，體積26 μL)中進行反應(yīng)條件探索，在聚四氟乙烯(AF-2400)管式微反應(yīng)器(內(nèi)徑0.6 mm，體積7.92 mL)中進行放大實驗。發(fā)現(xiàn)以自然光代替鎢絲燈、LED燈作為光源，β-蒎烯(0.5 mol·L-1)、亞甲基藍(質(zhì)量分數(shù)5%)與氧氣合并，以分段流動狀態(tài)通入PEEK樹脂微反應(yīng)器(圖1)，其日產(chǎn)量是間歇式反應(yīng)器的270倍。

圖1 在PEEK樹脂微反應(yīng)器中催化氧化β-蒎烯Fig.1 Catalytic oxidation of β-pinenein in PEEK resin microreactor

3 醇氧化

醇氧化在精細化工領(lǐng)域有著不可忽視的地位，其氧化產(chǎn)物醛或酮廣泛應(yīng)用于藥物、涂料、食品添加劑等領(lǐng)域。但是醛、酮化學性質(zhì)活潑，在合成過程中容易發(fā)生過度氧化生成酸進而發(fā)生酯化或羥醛縮合等副反應(yīng)，使得醇氧化的大規(guī)模應(yīng)用受到限制。微反應(yīng)器可以精準調(diào)控停留時間，使得醇氧化的選擇性大大提高，而且規(guī)模小、安全性高、可以強化傳質(zhì)及傳熱，在以分子氧和過氧化氫為氧化劑的液相氧化反應(yīng)中得到廣泛應(yīng)用。

Vanoye等[44]以銅鹽和2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧化物(TEMPO)為共催化劑，利用微反應(yīng)器催化氧化苯甲醇合成苯甲醛(圖2)。在內(nèi)徑為1.6 mm、長2.6 m的PFA毛細管中，以乙腈為溶劑、Cu/TEMPO為催化劑，在室溫和5 bar氧氣的條件下，苯甲醇轉(zhuǎn)化率在5 min內(nèi)可達70%；同時還改進了以Cu(Ⅱ)為銅源的催化體系，在微反應(yīng)器中實現(xiàn)了安全高效氧化苯甲醇。

圖2 催化氧化苯甲醇合成苯甲醛Fig.2 Synthesis of benzaldehyde by catalytic oxidation of benzyl alcohol

微反應(yīng)器的使用提高了苯甲醇的轉(zhuǎn)化率，但是Cu/TEMPO催化劑的成本過高。因此，工業(yè)生產(chǎn)更青睞于使用廉價的均相催化劑(如金屬溴化物)。Yue課題組[45]在聚四氟乙烯微反應(yīng)器中進行了均相催化劑Co/Mn/Br 催化氧化苯甲醇合成苯甲醛(式5)。以乙酸為溶劑，在 150 ℃、5 bar空氣條件下，苯甲醛產(chǎn)率在18 s內(nèi)可達到85.6%；同時對氣液兩相在微反應(yīng)器中的流動模型進行了探究：根據(jù)氣泡的產(chǎn)生速度和長度，觀察到濕潤或脫濕的彈狀流，其特征是氣泡周圍有完全或部分濕潤的液膜；驗證了在溫度高于90 ℃時，濕段塞流和脫段塞流下產(chǎn)率基本沒有差異。

(5)

Swern氧化反應(yīng)是用二甲基亞砜作氧化劑將醇氧化成醛或酮的反應(yīng)，是將羥基轉(zhuǎn)化成羰基的常用方法，在有機合成中被廣泛應(yīng)用。當反應(yīng)溫度高于-20 ℃時，中間體二甲基氯锍鹽會發(fā)生部分分解，所以Swern氧化反應(yīng)溫度一般在-50～-70 ℃范圍，但是間歇式反應(yīng)器對溫度控制不好便會有副產(chǎn)物產(chǎn)生[46-47]。

Zhu等[48]以草酰氯為活化劑，在連續(xù)流微反應(yīng)器中通過Swern氧化反應(yīng)氧化苯甲醇合成苯甲醛。先將二甲基亞砜和草酰氯經(jīng)過T型混合器混合，再將混合后的溶液與苯甲醇經(jīng)過Y型混合器混合后進入1.5 m長的微反應(yīng)器。在甲醇、草酰氯和苯甲醇的物質(zhì)的量比為4∶2∶1、二甲基亞砜流速為1.5 mL·min-1、反應(yīng)溫度為15 ℃、常壓條件下，苯甲醛產(chǎn)率高達84.7%，選擇性達98.5%。由于微反應(yīng)器單位時間處理量小、換熱高效，使得苯甲醇Swern氧化反應(yīng)可在5～19 ℃下進行，為常溫進行Swern氧化反應(yīng)提供了新途徑，且反應(yīng)速率和安全性得以控制。

Kawaguchi等[49]利用三氟乙酸酐活化二甲基亞砜進行苯甲醇Swern氧化反應(yīng)合成苯甲醛(式6)。先將二甲基亞砜與三氟乙酸酐混合，然后與苯甲醇混合，再用三乙胺處理，得到苯甲醛。在20 ℃、停留時間為2.4 s時，確保了高度不穩(wěn)定的中間體在分解前可以非?？焖俚剞D(zhuǎn)移到下一個反應(yīng)器，苯甲醇轉(zhuǎn)化率高達97%，苯甲醛產(chǎn)率高達91%；繼續(xù)擴大試驗，在20 ℃下連續(xù)反應(yīng)3 h，發(fā)現(xiàn)苯甲醇轉(zhuǎn)化率和苯甲醛產(chǎn)率不變。

(6)

Cao等[50]在硅玻璃填充床微反應(yīng)器(MPBR)中填充Au-Pd/TiO2催化劑，在無溶劑的情況下用純氧氧化苯甲醇合成苯甲醛。結(jié)果表明，苯甲醇轉(zhuǎn)化率隨溫度和氧氣壓力的升高而升高;而苯甲醛選擇性隨溫度的升高而降低，隨氧氣壓力的升高而升高。在120 ℃、5 bar氧氣下，苯甲醇轉(zhuǎn)化率達95%，苯甲醛選擇性為78%。但是，氧氣在高溫條件下與有機蒸汽直接混合存在爆炸風險，從而限制了其工業(yè)化生產(chǎn)。Greene等[51]利用廉價的、耐高溫高壓的、有氧滲透性的聚四氟乙烯管作反應(yīng)器，開發(fā)了一種“管殼式”膜微反應(yīng)器，避免了有機蒸汽與氧氣直接混合，但是苯甲醇在反應(yīng)器中要停留約1 h才能被完全氧化，催化劑活性較低。

Wu等[52]將質(zhì)量分數(shù)1%的Au-Pd/TiO2催化劑顆粒填入半滲透性聚四氟乙烯(AF-2400)管式微反應(yīng)器的半滲透管中，研究了苯甲醇催化氧化合成苯甲醛。這種半滲透管式微反應(yīng)器有氣液兩條通道，氧氣在反應(yīng)過程中可以連續(xù)滲透，使得催化劑床中的氧氣濃度較氧氣預(yù)飽和進料的非滲透反應(yīng)器中的高2個數(shù)量級，進而提高苯甲醇轉(zhuǎn)化率。

4 醛酮氧化

醛和酮是一類重要的有機化合物，在精細化工領(lǐng)域占據(jù)重要地位。但是醛不穩(wěn)定，易被進一步氧化成羧酸；而酮難以被氧化，只有在強氧化條件下羧基兩側(cè)的鍵才斷裂生成小分子羧酸。

Vanoye課題組[53-55]以Mn(Ⅱ)鹽為催化劑，采用連續(xù)流微反應(yīng)器，在室溫、5 bar氧氣條件下研究了2-乙基己醛催化氧化合成2-乙基己酸(式7)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，以0.01%Mn(Ⅱ)鹽為催化劑、2%2-乙基己酸鈉為添加劑、停留時間為6 min時，2-乙基己醛轉(zhuǎn)化率達98%，2-乙基己酸選擇性達98%。其工藝流程如圖3所示。

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圖3 室溫下2-乙基己醛催化氧化合成2-乙基己酸的工藝流程Fig.3 Synthesis of 2-ethylhexanoic acid by catalytic oxidation of 2-ethylhexanal at room temperature

Hommes等[56]首次在聚四氟乙烯毛細管微反應(yīng)器中以5-羥甲基糠醛(HMF)為原料、醋酸為溶劑、空氣或純氧為氧化劑、Co/Mn/Br為催化劑，均相催化氧化合成2,5-二甲酰呋喃(DFF)、5-甲酰呋喃甲酸(FFCA)和2,5-呋喃二甲酸(FDCA)(式8)。結(jié)果表明，以純氧為氣相的微反應(yīng)器中，在150 ℃、5 bar氧氣、停留時間為2.73 min時，HMF轉(zhuǎn)化率為 99.2%，DFF、FFCA、FDCA 的產(chǎn)率分別為22.9%、46.7%、23.8%；總體選擇性從常壓下(需加入乙醛作為共氧化劑)的5%～15%提高到60%～94%，實現(xiàn)了微反應(yīng)器高效合成FDCA。微反應(yīng)器中傳質(zhì)限制少，可作為一種潛在的過程強化工具，但是，流動相中出現(xiàn)沉淀會導(dǎo)致毛細管道堵塞。

(8)

5 芳香族化合物氧化

氧化反應(yīng)可以將芳香族化合物轉(zhuǎn)化為醛、酮、酸、環(huán)氧化合物和過氧化合物等，是精細化工領(lǐng)域核心技術(shù)，用于生產(chǎn)中間體和特種精細化學品。由于芳香族化合物C-H的鍵能較大，氧化反應(yīng)存在條件苛刻、能耗高、轉(zhuǎn)化率低、選擇性差和污染大等問題。微反應(yīng)器為其提供了一條綠色安全新途徑[57-58]。

Schmid課題組[59]以2-羥基聯(lián)苯-3-單加氧酶(HbpA)為生物催化劑，同時添加甲酸脫氫酶(FDH)以確保輔助因子NADH的再生循環(huán)，在連續(xù)分段流管式微反應(yīng)器(TiTR)中進行2-羥基聯(lián)苯的酶催化氧化合成3-苯基鄰苯二酚，合成速率可達14.5 g·L-1·h-1。

亞砜化合物是重要的醫(yī)藥、農(nóng)藥中間體，可通過選擇性氧化得到，該方法雖然綠色安全，仍存在過度氧化的問題。在傳統(tǒng)的間歇式反應(yīng)器中，過氧化氫和苯硫醚需要3 min才能完全轉(zhuǎn)化，產(chǎn)物中亞砜占82%，過氧化砜占15%。Noguchi等[60]在不銹鋼毛細管微反應(yīng)器(內(nèi)徑1 mm，體積730 mL)中，提前用一個T型混合器將30%過氧化氫和苯硫醚混合，在停留時間為2.12 s、未添加催化劑的情況下，亞砜產(chǎn)率可高達97%(式9)。

(9)

苯酚是醫(yī)藥、農(nóng)藥的重要中間體和生產(chǎn)原料，可由異丙烯過氧化氫工藝合成，但存在中間體熱穩(wěn)定性差、副反應(yīng)多等問題[61]。Su課題組[62]以2,3-二氯-5,6-二氰基對苯醌(DDQ)為氧化劑、乙腈為溶劑，用藍色LED燈作為環(huán)保光源，在毛細管微反應(yīng)器中實現(xiàn)了苯轉(zhuǎn)化為苯酚的連續(xù)流動光氧化。在室溫、乙腈∶苯∶DDQ為12∶1∶1.5(物質(zhì)的量比)、苯濃度為30 mmol·L-1、停留時間為60 min的最佳條件下，苯酚產(chǎn)率可達94%，選擇性超過99%，較間歇式反應(yīng)器光氧化顯著提高，且反應(yīng)時間顯著縮短。

6 胺氧化

胺氧化可得到多種含氮化合物，如肟、亞胺、腈、酰胺、氧化胺和偶氮化合物等，含氮化合物是重要的精細化學品，在現(xiàn)代化學工業(yè)中應(yīng)用廣泛[63-64]。廢氣中的微量氧氣會導(dǎo)致活性胺氧化降解，使得胺氧化效果不佳[65]。目前，關(guān)于胺氧化的報道不多[66]。

Jensen課題組[67]在螺旋通道的硅和耐熱玻璃組成的微反應(yīng)器(230 μL)中，以30%過氧化氫溶液為氧化劑，在不使用任何催化劑或其它試劑的情況下，研究了各種芳醛與仲胺的直接氧化酰胺化反應(yīng)(式10)。結(jié)果表明，在80～110 ℃，芳醛可以在20～40 min內(nèi)轉(zhuǎn)化為酰胺，產(chǎn)率達到79%～92%。其反應(yīng)裝置如圖4所示。該方法同樣適用于無外消旋的手性氨基酸衍生物的?；磻?yīng)。

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圖4 芳醛與仲胺直接氧化酰胺化反應(yīng)裝置Fig.4 Experimental setup for direct oxidative amidation of aldehydes with secondary amines

Zhu課題組[68]開發(fā)了一種毛細管微反應(yīng)器的連續(xù)工藝，將2-巰基苯并噻唑(MBT)溶解在過量的環(huán)己胺中，再與氧氣在氣液分段流動的毛細管微反應(yīng)器(內(nèi)徑0.6 mm或2 mm，長度5～18 m)中進行反應(yīng)，得到N-環(huán)己基-2-苯并噻唑次磺酰胺(CBS)(式11)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，以一水合乙酸銅[Cu(CH3COO)2·H2O]為均相催化劑時，反應(yīng)時間從4 h縮短到3～5 min，產(chǎn)率為85%～87%；氧氣的使用明顯減少了過度氧化的副產(chǎn)物。

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Baumeister等[69]在可以周期性變窄的不銹鋼管式微反應(yīng)器中，利用過氧化氫氧化N-甲基嗎啉，并在二氧化碳催化下合成N-甲基嗎啉氧化物(式12)。在反應(yīng)溫度為60 ℃、二氧化碳質(zhì)量分數(shù)為1%、停留時間為13.9 min時，轉(zhuǎn)化率高達98%，產(chǎn)率高達93.5%，反應(yīng)時間較傳統(tǒng)間歇式反應(yīng)器(20 h)顯著縮短。

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7 氧化脫氫偶聯(lián)

氧化脫氫偶聯(lián)是指一個X-H鍵(X：碳或雜原子)與一個Y-H鍵(Y：碳或雜原子)直接結(jié)合構(gòu)建新的X-Y鍵[70-71]。氧化脫氫反應(yīng)一般在高溫條件下進行，并且是放熱反應(yīng)[72]，因此，傳統(tǒng)氧化脫氫工藝受熱力學限制，存在能耗高的缺點。

No?l課題組[73]在毛細管微反應(yīng)器中實現(xiàn)了吲哚的Heck交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)(式13)，吲哚與2,2,2-三氟丙烯酸乙酯之間的偶聯(lián)在10 min的停留時間內(nèi)即可完成，得到純度為82%的吲哚偶聯(lián)產(chǎn)物。這是因為，氣體和液體在毛細管道中分段流動，使得氣相與液相的接觸面積變大，高表面體積比有效防止了催化劑降解及管道堵塞；毛細管微反應(yīng)器對傳質(zhì)和傳熱的高度控制使得反應(yīng)時間從幾小時縮短到幾分鐘。

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Nguyen等[74]和Cheng課題組[75]以聚乙烯醇(PVA)溶液為粘合劑將催化劑涂在金屬-陶瓷復(fù)合基底上，研究了填充床微反應(yīng)器中乙烷氧化脫氫合成乙烯(圖5)。在420 ℃、1.0 atm氧氣下，乙烷轉(zhuǎn)化率達60%，乙烯選擇性達85%；傳統(tǒng)的固定床反應(yīng)器需要約5倍體積才能達到與微反應(yīng)器相同的產(chǎn)率。

圖5 乙烷氧化脫氫合成乙烯示意圖[75]Fig.5 Schematic diagram for synthesis of ethylene by oxidative dehydrogenation of ethane[75]

Zhou等[76]利用膜分散來提高萃取效率，以實現(xiàn)高效合成5-羥甲基糠醛(HMF)(式14)。將平均孔徑為5 μm的微濾膜置于混合器和橫流通道之間，使得分散相流體形成大量液滴，1 s內(nèi)即可與連續(xù)相流體均勻混合，反應(yīng)時間從傳統(tǒng)攪拌反應(yīng)器的60 min縮短到微反應(yīng)器的4 min，HMF選擇性更高，萃取效率接近100%，產(chǎn)率為93%，是傳統(tǒng)反應(yīng)器的1 000倍。

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8 結(jié)語

微反應(yīng)器應(yīng)用于氧化反應(yīng)，不僅可以提高反應(yīng)的選擇性，縮短反應(yīng)時間，而且可以實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，在精細化工領(lǐng)域發(fā)展空間較大。微反應(yīng)器中的氧化反應(yīng)基本上以氧氣或過氧化氫為氧化劑，可以減少副產(chǎn)物，是非常理想、經(jīng)濟、可持續(xù)發(fā)展的綠色反應(yīng)。然而，微反應(yīng)器技術(shù)仍面臨許多困難和挑戰(zhàn)，特別是對多相流動、微反應(yīng)器通道內(nèi) “縮放效應(yīng)”(包括入口效應(yīng)、共軛傳熱、非均勻流動分布等)的探究相對較少；微反應(yīng)器中氧化反應(yīng)的動力學、熱力學、流體力學等理論體系還未得到優(yōu)化。