微反應器內紅色基KD重氮化反應動力學研究

王法軍，黃晉培，徐建鴻

（化學工程聯合國家重點實驗室，清華大學化學工程系，北京100084）

引 言

重氮化反應是一類古老而重要的反應，其在醫藥、農藥以及其他精細化工行業中均發揮著重要的作用[1?4]。重氮化反應合成的重氮鹽中間體具有較高的反應活性，可以在不同的反應條件下繼續進行其他各類反應，例如，可以進行水解生成酚類化合物[5?7]，可以被親核試劑攻擊合成偶氮化合物[8?10]，其重氮基也可以被鹵素原子取代生成芳香族氯化物[11]、芳香族氟化物[12]、芳香族碘化物[13]。工業上，重氮化反應一般在間歇釜式反應器中進行，但是由于其具有強放熱的特點以及重氮鹽中間體的熱不穩定性，所以在間歇釜式反應器內會由于傳質傳熱效率低而產生熱量的累積，引起重氮鹽的快速分解，從而產生爆炸的危險[14?15]。而微反應器系統則可以很好地解決上述問題，由于其混合比表面積大，過程可控，易于放大等優點而被廣泛地應用于重氮化反應的相關研究中，微反應器系統的應用不僅提高了反應的收率，也大大提高了危險反應過程的安全性與可控性[16?20]。

微反應器系統不僅被用來進行危險反應工藝的優化，也被用來進行反應動力學參數的測定。相比于間歇釜式反應器內的反應動力學研究過程，微反應器系統在加強反應液混合、精確調控反應溫度與反應時間、減少試劑用量等方面更加有優勢[21]。Zhang 等[22]在微反應系統中進行了二氯丙醇（包括1,3?二氯?2?丙醇和2,3?二氯?1?丙醇）脫氫氯化反應動力學研究，首先將二氯丙醇溶液和氫氧化鈉溶液在微混合器中進行混合反應，利用微通道對反應時間進行嚴格控制，在水浴中對反應溫度進行控制，最后在微中和器中對反應進行淬滅。他們利用微反應器系統測定了50～80℃范圍內脫氫氯化反應的反應速率常數。與之前的釜式法測定動力學參數的方法相比，利用微反應器系統的測定方法提供了更接近本征動力學的信息，為進一步研究反應機理和過程強化提供了參考。此外，Huang 等[23]利用微反應器系統對加巴噴丁的合成工藝進行優化，通過研究濃度和溫度對反應速率的影響，建立了表觀動力學模型，有助于深入理解整個反應過程，優化操作條件。與上述的研究體系相似，重氮化反應的反應速率較快且對反應溫度比較敏感，所以其動力學參數的測定也適合于在微反應器系統中進行，尤其對于一些穩定性低的重氮鹽中間體，通過微反應器系統可以減少反應液的返混以及精確控制反應時間，從而大大降低副反應的發生，得到更為準確的動力學參數。

為了進行重氮化反應動力學的研究，需要解決重氮鹽中間體的準確定量問題。由于重氮鹽中間體的不穩定性，直接對其進行分離，然后定量表征的方法會產生較大的誤差。Fitzgerald[24]通過反相高壓液相色譜法實現了重氮鹽的定量分離，但是多次測試結果有偏差，說明重氮鹽具有不穩定性，直接對重氮鹽進行分離測定會影響測試結果的準確性。而杜允等[25]利用偶合組分2?萘酚?6?磺酸鈉鹽與DCB重氮鹽反應，生成水溶性偶氮染料M，通過對偶氮染料吸光度的測定來實現對重氮鹽的定量研究，該方法具有靈敏度高、選擇性好、測定結果準確等優點，并且也利用此方法完成了DCB 重氮化反應的工藝優化[26]。本文也利用此方法實現了微反應器內紅色基KD 重氮化反應的定量研究。此外，楊玉宇等[27]利用苯胺重氮鹽與甲萘酚偶合顯色，通過測量產物吸光度來確定重氮鹽濃度，實現重氮化反應的定量分析。

本文所研究的紅色基KD 是一種重要的合成有機顏料的中間體，它的重氮鹽可以與不同的偶合組分發生偶合反應，合成C.I.顏料紅31、32、146、147等不同種類的顏料[28?30]。因為重氮鹽中間體的品質對顏料的質量有較大影響，所以需要對紅色基KD 的重氮化過程進行研究，對其動力學參數進行測定，為工業應用提供參考。本文首先將紅色基KD 重氮鹽與2?萘酚?6?磺酸鈉鹽進行偶合反應生成水溶性偶氮染料A，建立紅色基KD重氮鹽濃度的分光光度法定量方法。然后搭建了重氮化動力學參數測定的微反應器系統，由于在高濃度下紅色基KD 鹽酸鹽會析出形成漿料溶液，此時傳質過程會影響反應動力學參數的測定，所以本文在動力學研究中采用了較低的紅色基KD 濃度以及遠過量的無機酸的濃度。最后，通過精確控制反應的停留時間與反應溫度，得到不同條件下的反應收率的數據，以此對相關動力學參數進行擬合計算并建立了表觀動力學模型。

1 實驗材料和方法

1.1 材料

紅色基KD（3?氨基?4?甲氧基苯胺），純度為≥98%（質量分數），由北京拜爾迪生物技術有限公司提供。2?萘酚?6?磺酸鈉，純度為≥97%（質量分數）；亞硝酸鈉，純度≥99%（質量分數）；氫氧化鈉，純度≥96%（質量分數），它們均由上海麥克林生化科技有限公司提供。濃鹽酸，純度36%～38%（質量分數），由北京通廣精細化工有限公司提供。H 酸（1?氨基?8?萘酚?3，6?二磺酸），純度≥97%（質量分數），由上海麥克林生化科技有限公司提供。

1.2 反應動力學參數測定反應溶液配制

（1）溶液A（紅色基KD+濃鹽酸）：將0.0075 mol紅色基KD 和0.15 mol 濃鹽酸完全溶于700 ml 去離子水中，然后將溶液轉移至1000 ml 容量瓶中并用去離子水定容至刻度線。

（2）溶液B（亞硝酸鈉）：將0.0075 mol 的亞硝酸鈉完全溶于700 ml 去離子水中，然后將溶液轉移至1000 ml容量瓶中并用去離子水定容至刻度線。

（3）溶液C（2?萘酚?6?磺酸鈉+氫氧化鈉）：將0.0045 mol 2?萘酚?6?磺酸鈉和0.0225 mol 氫氧化鈉溶于250 ml 去離子水中，然后將溶液轉移至500 ml容量瓶中并用去離子水定容至刻度線。

1.3 實驗裝置及方法

1.3.1 釜式法合成偶氮染料A標準品裝置及方法將0.015 mol 紅色基KD 溶解在100 ml 去離子水中，然后將溶液轉移至250 ml 燒瓶內，并將燒瓶置于水浴鍋中。接著向燒瓶中加入0.044 mol 濃鹽酸并持續攪拌1 h，直至形成乳白色漿液溶液。將漿料溶液在冰水浴中冷卻至0～3℃后，滴加質量分數為30%的亞硝酸鈉水溶液，加入完成后，在0～3℃下繼續攪拌反應30 min，直至漿料溶液完全溶解，成為澄清黃色溶液。然后利用淀粉碘化鉀試紙對反應溶液內的亞硝酸鈉進行檢測。如果淀粉碘化鉀試紙變藍，則說明紅色基KD 反應完全，接著向重氮鹽溶液中加入少量氨基磺酸溶液，用來除去過量的亞硝酸鈉。最后將反應后的重氮鹽溶液轉移到燒杯中并在低溫下（0～5℃）保存。

將0.016 mol 6?羥基萘?2?磺酸鈉溶于100 ml去離子水中，并將溶液轉移至500 ml 三頸燒瓶內。然后將燒瓶浸入冰水浴中，并向溶液內加入氫氧化鈉溶液，調節pH 在9～10 之間，形成偶合組分溶液。當溶液溫度降至5℃時，將重氮鹽溶液連續滴加到偶合組分溶液中，滴加過程中持續攪拌。在偶合反應過程中，反應溫度持續控制在5℃左右，pH維持在9 左右。反應30 min 后，用H 酸檢測是否有重氮鹽剩余，若無重氮鹽剩余則到達反應終點。最后將反應后的混合溶液用真空泵抽濾，濾餅用乙醇洗滌后烘干，得到偶氮染料A粗產品。

稱取一定質量的偶氮染料A 粗產品置于100 ml燒杯中，并用去離子水溶解。將溶液過濾除去雜質后，在濾液中加入乙酸鉀進行鹽析。攪拌30 min后，將混合溶液過濾得到濾餅。將上述溶解和鹽析過程重復三次，將最后一次得到的濾餅用冷乙醇洗滌，直至用0.1 mol/L 的硝酸銀溶液檢測濾液無白色沉淀產生。最后對濾餅進行干燥，即可得到偶氮染料A標準品。

1.3.2 重氮化反應動力學參數測定微反應器裝置及方法 用來進行動力學參數測定的微反應器裝置如圖1 所示，使用平流泵1 與平流泵2 將溶液A（紅色基KD 鹽酸酸鹽溶液）與溶液B（亞硝酸鈉溶液）在微通道混合器（T 型微通道，內徑0.5 mm，316不銹鋼）內進行混合，發生重氮化反應，為精確控制反應溫度，兩股物料均經過了預熱管（聚四氟乙烯，外徑1.59 mm，內徑0.90 mm）進行預熱以達到控制的反應溫度。混合溶液經過延時管1（聚四氟乙烯，外徑1.59 mm，內徑0.90 mm）進行持續反應，利用延時管1的長短來精確控制重氮化反應的時間。整個重氮化反應過程均利用低溫恒溫水浴鍋進行反應溫度控制。在重氮化反應裝置出口處，延時管1 出口連接到膜分散微反應器（不銹鋼膜，膜孔徑1 μm）的入口處，同時利用平流泵3 輸送偶合組分溶液C（2?萘酚?6?磺酸鈉堿性溶液）到膜分散微反應器內與重氮鹽中間體發生偶合反應，在延時管2（聚四氟乙烯，外徑3 mm，內徑2 mm）內停留一段時間后，在出口處可以得到偶合反應生成的偶氮染料A的水溶液，利用H 酸滲圈實驗檢測重氮鹽是否反應完全[28]。在保證出口混合溶液中不存在剩余的重氮鹽后，將出口的偶氮染料A 溶液進行稀釋處理，然后利用紫外可見分光光度法進行定量研究。膜分散微混合器的結構如圖2 所示，膜孔直徑為1 μm，微通道尺寸為10 mm（長）×2 mm（寬）×0.33 mm（高）。

1.4 分析測試儀器

圖1 重氮化反應動力學參數測定裝置Fig.1 Experimental setup for determining kinetic parameters of the diazotization reaction

圖2 膜分散微混合器的結構Fig.2 Schematic diagram of the membrane dispersion microreactor

紫外?可見分光光度計，HP8453 型，安捷倫科技有限公司；高分辨串聯質譜，Q Exactive型，美國賽默飛世爾科技公司；高效液相色譜儀，Agilent 型，安捷倫科技有限公司；平流泵，2PB?8008Ⅱ型，北京衛星廠；真空泵，AP?9925 型，天津市奧特賽恩儀器有限公司；數顯水浴鍋，LUX?24 型，北京陸希科技有限公司；低溫恒溫槽，THD?0506 型號，北京易德誠商貿有限公司；真空干燥箱，DZ?1BC 型，天津市泰斯特儀器有限公司。

1.5 樣品分析

重氮偶合反應的化學方程式如圖3 所示，重氮鹽與生成的偶氮染料A 的摩爾比理論上為1∶1。因此，通過計算偶氮染料A 的濃度可以計算重氮化反應生成的紅色基KD 重氮鹽的濃度，而偶氮染料A的濃度可以通過測定其吸光度以及利用標準工作曲線進行計算。最后，根據式（1）計算重氮化反應的收率（Y）。在實際操作中，收集的偶氮染料A 產物需要稀釋50～100 倍后再進行分析。其中Cg（mg/L）為重氮鹽的實際測量濃度，Ch（mg/L）為重氮鹽的理論濃度，由反應物的濃度計算得到。實驗過程中，在相同條件下測定3次并求其算術平均值，三次測定的收率相對誤差低于1%。

2 實驗結果與討論

2.1 標準工作曲線的建立及測定方法的檢驗

圖3 重氮偶合反應方程式Fig.3 The diazotization and coupling reaction

2.1.1 偶氮染料A的紫外可見吸收光譜 對偶氮染料A 的提純產品進行表征，質譜分析樣品的相對分子質量為476.09（理論值為476.51）。液相色譜分析樣品純度為98.5%。所以，提純后的偶氮染料A 可以作為標準品使用。偶氮染料A水溶液的紫外可見吸收光譜如圖4 所示，在491 nm 處有最大吸收峰。為了研究溶液pH 對其最大吸收峰位置及吸光度的影響，改變偶氮染料A 水溶液的pH 在7.5～11.5 之間變化。結果如圖5 與圖6 所示，在上述pH 變化范圍內，溶液的最大吸收波長基本穩定在491 nm，說明pH 的變化對其最大吸收波長的位置影響不大。由圖6可知，當pH 在7.5～11之間變化時最大吸光度在0.8 附近波動，但是當pH 超過11 時吸光度會有明顯下降，下降至0.7 左右。所以在進行吸光度測定時要保證測定溶液的pH不超過11。

圖4 偶氮染料A的紫外可見吸收光譜Fig.4 UV?vis absorption curve of the azo dye standards A

圖5 不同pH下波長變化Fig.5 The changes in wavelength at different pH

2.1.2 標準工作曲線的建立 用精度為0.0001 g 的天平稱取0.0667 g 偶氮染料A 標準品，并在250 ml容量瓶中稀釋。從250 ml 容量瓶中取出固定體積的溶液（0.25、0.5、1.25、2.5、7.5、12.5、15、17 ml），在100 ml 容量瓶中稀釋并定容至刻度線，最后測定溶液在491 nm 波長處的最大吸光度。以溶液濃度為縱坐標（y）、吸光度為橫坐標（x）作圖7，從圖中可知偶氮染料A 質量濃度范圍在0.7～46 mg/L 時，吸光度與質量濃度呈良好的線性關系，用最小二乘法可以得到回歸直線方程[式（2）]，此為重氮鹽中間體定量研究的標準工作曲線方程：

圖6 不同pH下吸光度的變化Fig.6 The changes in absorbance at different pH values

圖7 吸光度隨濃度的變化Fig.7 Concentration and absorbance linear relationship

2.1.3 測定方法的精密度與重現性實驗 （1）精密度實驗：稱取0.0109 g 偶氮染料A 溶解于250 ml 容量瓶中，并用去離子水定容至刻度線。測定配制溶液的最大吸光度5 次，然后根據標準工作曲線求出溶液中偶氮染料A 的濃度。最后計算5 次得到濃度的相對標準偏差（RSD）。結果如表1 所示，5次測定的偶氮染料A 的濃度的相對標準偏差為0.12%。（2）重復性實驗: 稱取5 份相同質量的偶氮染料A（0.0109 g）溶解在5 個250 ml容量瓶中，并用去離子水定容至刻度線。然后分別測定5份配制溶液的最大吸光度，并通過標準工作曲線計算得到偶氮染料A 的濃度。最后計算了偶氮染料A 濃度的相對標準偏差（RSD）。結果如表2 所示，5 次測定的偶氮染料A 的濃度的相對標準偏差為0.69%。上述精密度與重現性實驗的相對標準偏差均不超過1%，證明了該方法的精密度和重現性是令人滿意的，可以用來對重氮鹽中間體進行定量研究。

表1 偶氮染料濃度測定方法的精密度實驗結果Table 1 Precision test results of concentration measurement of azo dye

表2 偶氮染料濃度測定方法的重現性實驗結果Table 2 Reproducible test results of concentration measurement of azo dye

2.2 不同氫氧化鈉用量對重氮鹽偶合反應的影響

由于是利用重氮鹽的偶合反應來淬滅重氮化反應過程，且偶合反應受酸堿度影響較大。所以為了保證重氮鹽與偶合組分在堿性條件下完全反應，需要研究偶合組分與氫氧化鈉的摩爾比對重氮鹽中間體偶合反應的影響。實驗采用了圖1所示的微反應器系統。從圖8 可以看出，偶氮染料A 溶液的最大吸光度隨著C1/C2的增加先迅速增加，然后下降。當C1/C2值從0.16 變化到0.19 時，最大吸光度增加最為顯著，說明強堿性條件不利于偶合反應進行。當C1/C2為0.20 時，最大吸光度達到最大值。當C1/C2的值繼續增大時，最大吸光度減小，說明堿性過弱也不利于偶合反應進行。因此在后續實驗中選擇C1/C2的值為0.20 來進行偶合反應，即偶合組分濃度與氫氧化鈉濃度比為0.2∶1。其中C1為偶合組分的濃度（mol/L），C2為氫氧化鈉的濃度（mol/L）。

2.3 不同反應溶液體積流量下的混合性能

為了獲得更接近重氮化反應本征動力學的參數，有必要確定反應溶液的體積流量范圍，以確保反應溶液的混合性能達到最高。從圖9 可以看出，隨著反應溶液體積流量的增加，重氮化反應的收率先有了明顯的增加，然后基本保持不變。也就是說，當反應溶液體積流量在1.0～2.0 ml/min之間變化時，隨著體積流量的增加，兩種反應溶液在微反應器中的混合過程變得更加劇烈，傳質效果提高，反應更加迅速從而導致收率的提高。當反應物的體積流量大于2.0 ml/min 時，重氮化反應收率基本保持穩定，表明此時得到了理想的體積流量數據，此時混合效果達到最好，基本消除了傳質過程的影響。所以，在后續的測定反應動力學參數的研究中，反應液流量選定在2.5 ml/min條件下進行。

圖8 不同偶合組分與氫氧化鈉的摩爾比下偶氮染料A的最大吸光度Fig.8 Different absorbance at different molar ratio of coupling component to sodium hydroxide

圖9 不同反應溶液流量下重氮化反應的收率Fig.9 Yield of the diazotization reaction with different volume flow rate of the reactants

2.4 重氮化反應動力學參數的測定

根據文獻中的報道[31?32]，芳香族伯胺在鹽酸溶液介質中與亞硝酸發生重氮化反應的反應過程如下：

根據上述的反應過程可知，此時反應體系內有兩個亞硝化試劑，分別為N2O3與NOCl，所以以鹽酸為介質的重氮化反應速率方式可以分別由式（3）與式（4）來表示，總的反應速率方程可以用式（5）來表示。其中Ca為芳香族伯胺的濃度，Cb為亞硝酸的濃度，Cc表示氫離子濃度，Cd表示氯離子濃度，k1與k2均為反應速率常數。

由于在鹽酸介質中，亞硝化試劑主要為NOCl，可以忽略N2O3的影響(即k2>>k1)，所以總反應速率可改寫成式（6）：

此外，由于在本文的研究體系中氫離子的初始濃度是紅色基KD 初始濃度的20 倍，因此重氮化反應中可以忽略鹽酸濃度的變化，總反應速率可改寫為式（7）：

假設紅色基KD 的初始濃度為Ca0，亞硝酸鈉的初始濃度為Cb0，重氮化反應的轉化率為X。根據上述假設，可以得到式（8）～式（10）：

則總反應速率可表示為式（11），對其進行積分可以得到式（12）：

對于式（12），在相同溫度下，1/(1?X)?1相對于t的擬合曲線應該是一條穿過原點的直線。圖10 和圖11 分別為不同反應溫度下重氮化反應收率隨反應時間的變化情況以及對不同溫度下的反應速率常數進行擬合的情況。由圖11 線性擬合可以得到表3 所示的線性方程以及反應速率常數K 值。得到不同反應溫度下的反應速率常數K 值后，用Arrhenius 方程關聯表3 的數據，以1/T 為橫坐標，lnK 為縱坐標作圖12，通過擬合得到線性方程式（13）。根據式（13）可以得到重氮化反應的指前因子為1.57×1014L/(mol·s)，活化能為72.88 kJ/mol。

圖10 溫度和反應時間對反應物轉化率的影響Fig.10 Effect of temperature and reaction time on reactant conversion

圖11 不同溫度下反應速率常數的擬合Fig.11 Evaluation of reaction rate constants at different temperature

圖12 Arrhenius方程擬合結果Fig.12 Fitting plot of Arrhenius equation

表3 不同溫度下的反應速率常數Table 3 Reaction rate constants at different temperatures

2.5 模型檢驗

在特定的反應溫度(10℃)下對反應動力學模型進行了驗證。如圖13所示，實驗數據與模擬數據吻合較好，說明在實驗條件的范圍內，反應動力學模型在實驗條件下具有較好的適用性。

圖13 特定溫度下（10℃）下動力學模型驗證Fig.13 Kinetic model verification at a specific reaction temperature

3 結 論

（1）利用重氮鹽中間體的偶合反應以及紫外可見分光光度法對重氮化反應過程進行定量研究，實驗結果表明該方法的精密度與重現性良好，測定偶氮染料A濃度的相對標準偏差均未超過1%，該方法可以用來對紅色基KD 重氮鹽中間體進行定量研究。

（2）建立了低濃度下紅色基KD 重氮化反應動力學參數快速測定的微反應器裝置，利用了微通道反應器與膜分散微反應器強化混合，與傳統的間歇釜式測定方法相比，此方法可以嚴格控制反應時間與反應溫度等反應條件。

（3）通過實驗研究了常壓、5～18℃范圍內，以及低濃度下紅色基KD 重氮化反應動力學參數。在實驗研究范圍內，該反應為二級反應，指前因子為1.57×1014L/(mol·s)，活化能為72.88 kJ/mol。

（4）本文獲得了低濃度下的紅色基KD 重氮化表觀反應動力學模型，可以為高濃度下的紅色基KD 重氮化反應過程提供理論指導。在后續研究中有待于建立高濃度下紅色基KD 重氮化反應過程的傳質與反應耦合的動力學模型，為實際的工業生產提供理論指導。

符 號 說 明

Ca,Cb,Cc,Cd——分別為芳香族伯胺、亞硝酸、氫離子、氯離子濃度，mol/L

Ca0,Cb0——分別為芳香族伯胺反應初始濃度、亞硝酸初始濃度，mol/L

Cg,Ch——分別為重氮鹽測定濃度、重氮鹽的理論濃度，mol/L

C1,C2——分別為偶合組分濃度、氫氧化鈉濃度，mol/L

K——反應速率常數，L·mol?1·s?1

T——反應溫度，℃

t——反應停留時間，s

VA,VB,VC——分別為溶液A、溶液B、溶液C體積流量，ml/min

X——重氮化反應轉化率，%

Y——重氮化反應收率，%