微反應技術在氫化反應中的應用進展

趙啟莽，李軍峰，毛志鵬，楊紅軍，朱夢驚，項扶委，陳 建

(1.中國五環工程有限公司，湖北 武漢 443000；2.武漢理工大學，湖北 武漢 430000)

催化加氫反應是有機合成中的一類重要反應，主要用于不飽和雙鍵官能團的轉化，在精細化工和制藥工業得到大規模的應用[1]。與所有涉及分子氫的氫化方法一樣，需要確保氫氣高效傳輸到液相。由于氫分子在常見有機溶劑中的溶解度較差，通常需在較高的壓力和溫度下進行氫化反應，以提高傳質、傳熱和反應速率。這種升高溫度和壓力的方式需要特殊的高壓設備，具有一定的危險性以及高額成本[2，3]。開發出可以在較低的壓力和溫度下實現高效轉化的新型氫化工藝，從而減輕對高溫、高壓反應條件的需求，并降低相關的安全風險和成本問題，這些是目前行業的迫切需求。

1 微反技術簡介

近年來，微反技術的發展對合成化學方法產生了深遠影響。該技術為流動過程，在微通道反應器中進行，為化學合成提供了一種更嚴格地控制化學反應傳質和傳熱的方法，能極大地影響化學產率和選擇性[4-7]。一般來說，在微型反應器中進行的連續流動過程比分批間歇反應更有效，反應物連續引入，在更小的反應空間內進行接觸反應，傳質傳熱效果高，并不斷地從反應空間中移除，降低了副反應的風險。對于非均相催化加氫反應而言，流動處理的額外優勢來自于高比表面積。該技術在氣-液-固三相反應中尤其明顯，由于在非常窄的微通道空間中分子擴散所需的界面面積大、路徑短，因此會發生非常高效的氣-液-固相互作用[8-11]。氫化反應在微反應器中的另一個優點是，易燃氣體的體積顯著減少，小滯留量降低了爆炸的潛在危害，具有明顯的安全優勢[12-14]。

本文介紹了在微通道反應器中烯烴、炔烴、醛酮以及硝基化合物的加氫反應實例，展示使用微通道反應器在加氫反應方面的優勢。

2 氫化應用

2.1 烯烴的氫化

烯烴催化氫化為烯烴向烷烴的轉化提供了最具有原子經濟性的途徑，高效與高選擇性地進行烯烴的催化加氫具有巨大的價值。已經有大量文獻闡述了利用微通道反應器來探索烯烴加氫反應。

Trentonotto[15]制備一種新型MOF催化劑用于填充床微反應器中丙烯的加氫測試，結果表明，在393 K時，丙烯轉化率最大，達到80%。改變反應物進料比和流速，催化轉化率隨氫含量呈線性增加，而體積流量的改變造成的影響可以忽略不計，即使在很寬的流量范圍內也是如此。丙烯的氫化見圖1。

圖1 丙烯的氫化

Kobayashi[16]開發一種毛細管微反應器用于1-苯基-1-環己烯的氫化，在底物濃度為0.1 mol/L，流速為0.1 mL/h，氫氣流速為1 mL/min條件下，以0.01 mmol/h定量的收率得到氫化產品，轉化率高達100%。當底物濃度增加到0.8 mol/L、流速增加0.4 mL/h時，產量提升了32倍，并且經計算發現TOF達1 300/h-1。隨后為擴大生產規模將9根毛細管并列在一起，轉化率雖降至98%，產量卻大大提升，表明微通道反應器可通過簡單的并列方式來擴大生產規模。1-苯基-1-環己烯的氫化見圖2。

圖2 1-苯基-1-環己烯的氫化

Shu Ying-ye[17]制造了用于1-丁烯氫化的氧化多孔硅膜微反應器，在250 ℃下1-丁烯流速為0.625 mL/min時，1-丁烯的轉化率為100%。隨著異丁烯流量的增加，1-丁烯的轉化率降低。另一方面，在較低流速下，選擇性達到100%。隨著1-丁烯流量的增加，選擇性降低，出現了反式-2-丁烯和順式-2-丁烯的異構化產物。異構化產物的選擇性隨1-丁烯流量的增加而增加。當異丁烯流量大于2.5 mL/min時，異構化反應取代加氫反應成為主要反應。1-丁烯的氫化見圖3。

圖3 1-丁烯的氫化

Abdul[18]通過濺射和氣相沉積技術制備鉑負載的熱解石墨催化劑$并將其裝載在微通道反應器中(見圖4),用于乙烯加氫催化測試$乙烯的氫化見圖5。在250℃下，乙烯和氫氣流量都為1mL/min時，乙烯轉化率達到95%，完全沒有聚合產物生成，這是目前乙烯制乙烷研究中應用的最高溫度。

圖4 乙烯氫化微反應器示意

圖5 乙烯的氫化

Haase[19]研究2-苯丙烯在微反應器中的氫化時的轉化率和傳質系數(見圖 6)。在泰勒流型下，當液體速度低于0.06 m/s時，轉化率達到60%，氫氣的總傳質系數為0.1s-1。通過降低表觀速度或提高通道內氣含率，可以明顯提高2-苯丙烯的轉化率。較小的表觀速度將導致較長的反應通道停留時間，因此，將提高微反應器通道的轉化率。

圖6 2-苯丙烯的氫化

Rui Lin[20]以6-溴代-1-己烯為原料，考察了其在微流應器中的加氫效果(見圖 7)。在室溫和氫氣壓力為1個大氣壓下，在約18min的反應時間內，平均轉化率為85%，選擇性為100%，轉化率比在間歇釜中高30%左右。同時，催化劑重復使用8次后活性沒有明顯的損失。

圖7 6-溴代-1-己烯的氫化

Kobayashi[21]制造玻璃微通道反應器(見圖 8)用于4-苯基-3-丁烯-2-酮的加氫測試(見圖9)。在150℃下，液體的流速為0.8 mL/h，H2的流速為0.15 mL/min時，產率為93%；在間歇系統中進行了烯烴加氫實驗，產率是63%，比微通道反應器得到的結果要低得多。作者還計算了時空產率，空時產率比普通燒瓶高14萬倍。同時，在設備上進行了30次反應，大約連續100 h的反應時間，沒有明顯的催化劑失活。

圖8 4-苯基-3-丁烯-2-酮的加氫微反應器

圖9 4-苯基-3-丁烯-2-酮

光催化被認為是解決能源和環境問題的一種有前途的綠色途徑，一種新型的微反應器可以實現光催化反應。Sun Dengrong等[22]研究在可見光下，微通道反應器中對烯烴的光催化加氫反應的效率(見圖 10)。在可見光照射下，僅需15 min就可實現苯乙烯完全轉化為乙苯，且選擇性大于99%。周轉數(TOF)計算為589 h-1，高于之前報告中數值。

圖10 苯乙烯的氫化

2.2 炔烴的氫化

炔烴既可以半氫化成烯烴，也可以完全氫化為烷烴。炔烴半氫化成烯烴是許多精細合成中關鍵步驟，為提高半氫化的轉化率和選擇性，對反應工藝的要求更加嚴格。

Abdulkadir[23]研究毛細管微反應器中苯乙炔加氫生成苯乙烯反應(見圖11)。在30～60 ℃時，苯乙炔的轉化率隨溫度升高而增大，而選擇性隨溫度升高而降低，在60 ℃時，轉化率為95%，選擇性只有18%。在30 ℃時，轉化率為21%，選擇性為91%。

圖11 苯乙炔的氫化

Nikolay[24]研究毛細管微反應器中2-甲基-3-丁炔-2-醇的半氫化反應(見圖 12)。在恒定的溫度下，液體流速越慢，轉化率越高，在30～70℃范圍內，轉化率最高為94%。但較慢的流速會導致選擇性較低，這是因為烯烴會過度氫化為烷烴。隨著溫度的升高，氫的轉化率顯著提高。由于提高了反應速率而產生了高分子量，溫度從30℃升高至70℃，氫轉化率從45%增加到80%。Okhlopkova[25]也研究了微反應器中2-甲基-3-丁炔-2-醇的半氫化反應。在313 K時，半加氫產物2-甲基-3-丁烯-2-醇的生成具有較高的選擇性。當轉化率為99.9%時，選擇性為92.3%，選擇性比間歇反應器高15.5%。同時催化劑層在反應液連續流過500 h后仍保持穩定。

圖12 2-甲基-3-丁炔-2-醇的氫化

Thomas H.Rehm[26]測試降膜微反應器(見圖 13)中2-丁炔-1，4-2-醇選擇性氫化成烯烴的性能(見圖 14)。在以水為溶劑的條件下，96%轉化率下的選擇性為98%，接近間歇反應的結果(轉化率99%時，選擇性為98%)，與間歇操作的反應器相比，降膜微反應器的產量提高了15倍，表明在連續流動模式下對2-丁炔-1，4-2-醇加氫為2-丁烯-1，4-2-醇具有重要的過程強化作用。

圖13 2-丁炔-1，4-2-醇加氫微反應器

圖14 2-丁炔-1，4-2-醇

Colli[27]開發多層微反應器來評估1-丁炔的選擇性氫化中的動力學(見圖 15)。在實驗條件下，1-丁炔的轉化率達到100%，選擇性大約為90%，與固定床反應器比較，微反應器表現出更高轉化率和選擇性。根據機理擬合得到的加氫動力學數據與實驗結果一致，表明在微反應器中進行的測量不受擴散限制，是研究催化劑動力學的合適工具，這為本征反應動力學提供了可靠方法。

圖15 1-丁炔的氫化

Lioubov[28]在微通道反應器中測試了乙炔加氫的性能(見圖 16)。通過改變流速和溫度，對反應性能進行了優化。在200℃條件下，轉化率可達96.5%，選擇性達70%，催化10 h以上未出現失活。作者測量微反應器內壓降情況，與填充床反應器相比，微通道反應器中的壓降也比填充床反應器低一個數量級，這表明微通道反應器耗能更低。

圖16 乙炔的氫化

Sachse[29]將微反應器用于3-己炔-1-醇連續選擇性加氫(見圖 17)。在室溫模型底物在0.12 mL/min的底物流速和0.5 mL/min的H2流速下，轉化率和選擇性達到了最佳折衷，在7 h內得到了95%的轉化率和90%的順式選擇性，與使用分批法相比，生產率提高了10倍。催化劑的穩定性實驗證明，轉化率和選擇性在70 h內幾乎保持不變。在整個反應過程中，Pd含量低于儀器的檢測極限，因此表明即使在運行70 h后，催化劑層Pd的損失也可以忽略不計。

圖17 3-己炔-1-醇

2.3 醛酮的氫化

醇是合成有機化學中的一類重要的化合物，也是藥物、農用化學品、精細化學品、聚合物、染料和塑化劑等產品重要的中間體，具有很大的經濟價值。醛酮加氫得到目標醇一直是化學化工中常用的方法之一。

Alexander[30]研究了微通道反應器中苯甲醛氫化為苯甲醇(見圖 18)。在100 ℃下，轉化率最高為64%，相應的轉化速率為1.25×10-6mol/s，遠大于常規的反應釜中的苯甲醛加氫反應。同時，作者還研究了丁醛的氫化，結果同樣表明，微通道反應器中反應效率更高。

圖18 苯甲醛的氫化

Xia S等[31]采用膜分散微反應器對鏈霉素(STR)加氫制備雙氫鏈霉素(DHS)進行了研究(見圖 19)。在3 min內STR的轉化率達到99.81%，而在攪拌槽中，STR的轉化率在30 min才達到99.5%。在轉化率相同(99.5%左右)的情況下，膜分散微反應器中KBH4的最小用量比傳統反應器低35.71%左右。這種浪費是由于KBH4周圍的pH值變化，導致KBH4的分解。微反應器與工廠使用的傳統反應器相比，具有優良的混合性能。在微反應器中，KBH4附近的pH值會迅速恢復到預期值，并且兩種物質在溶液中的均勻性立即實現。這樣，KBH4傾向于與STR反應，而不是分解。

圖19 鏈霉素的氫化

Abdallah[32]采用帶有5 mm膜的連續微結構反應器，研究了高氫壓(4.5 MPa)下丙酮酸乙酯在手性感應器修飾的Pt/Al2O3催化劑上的氣-液-固不對稱加氫反應(見圖 20)。對多達8種手性誘導劑進行了評價，其中辛可定的對映選擇性最好(63%)。盡管與間歇反應相比ee值較低，微反應器的停留時間卻比間歇反應器少得多。綜合考慮昂貴的催化劑和/或手性配體的庫存、可操作性、響應時間短、傳質和傳熱效率以及流體流量控制等綜合標準，使用微反應器而不是小型填充床反應器進行催化劑篩選將更具吸引力。

圖20 丙酮酸乙酯

Julia[33]采用毛細管微通道反應器(見圖 21)研究環己酮的氫化(見圖 22)。在摩爾分數為0.3%的低催化劑負載下，轉化率在90%～100%之間。催化毛細管的長期穩定性，微型反應器可重復使用200次以上，而轉化率無明顯損失，相當于周轉數(t)>60 000。

圖21 環己酮氫化微反應器示意

圖22 環己酮的氫化

2.4 硝基的氫化

氨基化合物廣泛應用于染料、醫藥、化工等行業，通過硝基化合物催化加氫還原獲得胺類化合物是工業上的常用方法，具有廣闊的應用前景。

Liu Ming[34]以硝基苯加氫為研究對象研制了一種具有超薄獨立支撐膜的催化超薄膜微反應器(見圖 23、圖24)。在測量過程中，將5 mL硝基苯溶液以2 μL/min的流速泵入微通道，同時以0.6 μL/min的流速向另一個微通道提供高純度氫氣，每30 min收集一次廢水。測定的硝基苯轉化率保持在90%以上，在90%到96%之間有小波動。比較了催化超薄膜微反應器和其他報道的催化膜微反應器的加氫性能(轉化率為80%)，結果表明，催化超薄膜微反應器的轉化率相當好，催化超薄膜微反應器在240 min的運行中表現出良好的催化活性，說明了其可行性和優越性。Kataoka[35]在微型反應器中固定鉑納米粒子，催化硝基苯加氫制苯胺。在14 h的連續實驗中，苯胺的平均收率大于92%，保留時間為12 s，相當于3 200 h-1的周轉頻率。即使在反應和再生過程重復5次后，催化活性仍幾乎保持在原來的水平。因此，微反應器中的固定化方法非常適合長時間的反應。微反應器系統的TOF值是Pt/TiO2的5.5倍，可見，微反應器內的納米顆粒具有良好的催化活性。

圖23 硝基苯的氫化

圖24 硝基苯加氫微反應器示意

Todor[36]研究1-碘-4-硝基苯在填充床微反應器(見圖25)中的加氫表現(見圖26)。在80 ℃和5 MPa的H2條件下，鹵代硝基苯的轉化率為100%，鹵代苯胺產率達到94%，并且即使達到完全轉化率也沒有檢測到苯胺。間歇反應釜中，最佳條件下的產率只有90%，還會有大量鹵代苯胺脫鹵生成苯胺，并且所需要的氫氣壓力為6 MPa，大于微反應器中氫氣壓力。連續兩次實驗后，將催化劑取出，用激光衍射分析其粒徑，反應前后的粒度分布無顯著差異，說明微反應器中催化劑具有良好的機械穩定性。

圖25 1-碘-4-硝基苯加氫微反應器部分結構示意

圖26 1-碘-4-硝基苯的氫化

Oyekunle[37]利用三維打印技術，高效地制作一套價格便宜的微通道反應器，用4-硝基苯酚加氫制備4-氨基苯酚來評價其性能(見圖 27)，結果表明，在8 min的停留時間內，底物能很好地轉化為4-氨基苯酚(98%)，在間歇釜中達到相同轉化率卻要120 min。此外，在實驗中連續使用Pd/Co3O4負載催化劑床層，催化劑穩定性好，周轉數為3 483 h-1，可循環使用5次以上，平均轉化率在90%以上。

圖27 4-硝基苯酚的氫化

在間歇式反應器中，由于該體系傳質性能差，使得快速加氫反應動力學研究困難。使用微通道反應器進行此類反應可提高傳質速率，從而確保反應接近本征動力學。Sunitha[38]評估了實驗室半間歇式反應器和填充床微反應器，以確定最適合進行氫化反應動力學研究的反應器系統。為此，以鄰硝基苯甲醚在甲醇中加氫制備鄰茴香醚為模型三相反應(見圖 28)。在動力學實驗條件下，微反應器的傳質系數比半間歇式反應器高兩個數量級。因此，微反應器在微觀動力學研究方面具有較大優勢。

圖28 硝基苯甲醚的氫化

Thomas[39]以一種基于硝基二苯乙烯衍生物的化學選擇性三相加氫反應為例，研究了在不影響C=C雙鍵結構的條件下生成伯胺的反應(見圖 29)。在30℃下，液體流速為0.5 mL/min時，轉化率98.5%，具有較高的選擇性100%，完全沒改變雙鍵結構，經過120 min的運行后，催化劑仍然具有很高的活性，在恒定的條件性下，催化劑的轉化率甚至略有增加，且選擇性保持不變。

圖29 硝基二苯乙烯衍生物的氫化

芳香族硝基化合物的加氫反應已得到廣泛的研究，但脂肪族硝基化合物的催化加氫仍是一個具有挑戰性的課題。Yuki[40]選擇2-苯基硝基乙烷作為模型底物，用于微通道反應器中脂肪族硝基化合物的加氫研究(見圖 30)。在30 ℃的較低溫度下，產率可達99%以上，所需要的時間僅為3 h。為底物進行了較長時間的連續流動反應，結果表明，催化劑的活性維持了120 h以上，且收率和選擇性均無損失。反應120 h后，底物幾乎定量地轉化為相應的胺，周轉數超過3 400 h-1。

圖30 2-苯基硝基乙烷的氫化

3 結論與展望

本文介紹了利用微通道反應器進行的各種加氫反應，顯示了微通道反應器的優點。與間歇反應器相比，大多數使用微通道反應器的反應具有更高的效率和選擇性。傳統反應器中的放大，特別是工業生產水平，需要在設備上進行大量投資，以建造和安裝大型反應器；但微通道反應器可以很容易地用于放大反應，放大效應較小。在催化劑開發方面，微通道反應器的進一步發展將滿足更好的選擇性和更高的周轉次數以及提高穩定性的需要。目前，微通道反應器中氫化的例子很多，但涉及到不對稱氫化的報道幾乎沒有，希望未來能有更多的用微通道反應器實現不對稱氫化的例子。在氫化反應中，微通道反應器主要在實驗室規模上得到較好利用，但可以預計，在未來，由于有合適的儀器、設備，流動氫化的許多好處也將在更大范圍內得到利用，從而高效、安全、環保和大規模地合成有用的化學物質。