案例 |沈阳化工研究院鄢冬茂教授团队应用微反应连续加氢技术制备芳族二氨取得突破进展，反应速率提高13.6倍

沈阳化工研究院鄢冬茂教授团队应用微反应连续加氢技术制备芳族二氨取得突破进展，反应速率提高13.6倍，作为连续加氢共性技术在化工行业应用具有重要意义，成果发表在最新一期欧洲化学会杂志《Chemistry Select》。

https://doi.org/10.1002/slct.202203577

2,4-二氨基苯甲醚是染料、颜料、医药和农药领域的重要中间体，由2,4-二硝基苯甲醚催化加氢制得，由于芳族二胺化合物反应机理复杂，即使采用改性催化剂，在间歇反应器中也很难得到理想的结果。

沈阳化工研究院鄢冬茂导师团队以2,4-二硝基苯甲醚的加氢过程为模型反应，采用多种合适的催化剂，开发了基于μPBR的连续流催化加氢体系。研究了不同的催化剂和反应参数以改善反应性能，并利用相关的芳香二硝基化合物验证了该连续流体系的效率和稳定性。

微填充床反应器(μPBR)流动体系研究实验中采用了欧世盛（北京）科技有限公司研发生产的H-Flow-S05全自动加氢反应仪（图1），具有加氢效率高、工艺自动化、安全可靠、传热传质高效、反应过程可控准确等特点。

本次实验以μPBR为基础的高效连续流加氢技术在DNAN的加氢反应取得了良好的催化性，并确定了最佳反应条件，如溶剂、气液比流量、反应温度、反应压力等（图2）。

图1：H-Flow-S05全自动加氢反应仪

图2：微反应系统示意图

在Pd(OH)2/C 催化剂和最佳工艺条件下，合成2,4-二氨苯甲醚的转化率为100%，选择性为99.5%，长期(960 min)运转稳定。

连续流微反应器对相关芳族二氨基化合物的加氢表现出优异的性能。此外，每单位反应器体积、单位时间的反应速率，μPBR是间歇反应器的13.6倍。

目前的芳族二硝基化合物催化加氢多采用间歇式高压釜进行，但传统的间歇加氢操作，特别是大规模加氢时，存在一定的缺点，如传热传质慢、反应时间慢、过程控制困难、高风险和批量不稳定性。此外，有多项研究表明，仅在间歇反应器中使用改性催化剂也很难获得满意的结果。

连续流微反应技术作为一种新的工艺强化方法，由于其反应器配置优于间歇式反应器的固有效率，可大大改善反应过程中的混合、换热和产率，实现工艺强化、工艺的微型化和绿色化。特别是在以微反应技术为基础的催化加氢领域，显示出巨大的发展前景。

01

催化剂表征

通过观察分析催化剂的高分辨率透射电子显微镜(TEM)图像显示，在活性炭载体的表面上，金属纳米粒子分散得更均匀，纳米粒子的直径也更小。通过分析金属颗粒分布图像确定了纳米颗粒的平均尺寸。进一步通过CO和N2吸附-解吸进行了研究（图1.1），明确了五种催化剂（表1.1）的详细物理性能。

（图1.1）催化剂的吸附等温线及BJH脱附孔径分布

02

催化剂的作用

在催化加氢过程中，催化剂活性受活性金属、载体及其相互作用的影响。芳香二硝基化合物的硝基加氢反应比较困难，因此选用具有适当催化活性和加氢选择性的催化剂至关重要。

在本实验中，考察了不同催化剂在相同反应条件下的性能。反应性能总结见表2.1。

表2.1说明了Pd(OH)2/Al2O3 在三种以Al2O3为载体的催化剂中表现优异，且在DNAN加氢过程中，产物中不含原料和中间产物。

Pd/Al2O3的催化结果表明，过高的温度（100℃）会降低催化剂的活性，并影响底物转化率。在加氢过程中，Ru/Al2O3催化剂的催化活性较低不足以实现底物的完全加氢。

进一步的实验结果也证明了Pd(OH)2的催化效率高于Al2O3。这与活性炭载体的高表比面积和金属纳米颗粒分布均匀有关。在低温(60℃)下，Pd(OH)2/C催化剂的转化率为100%，选择性高达99.2%。相反，随着温度的升高，副产品的种类和含量会进一步增加。

最后，与Pd(OH)2/C相比，Pt/C催化剂不适合DNAN的加氢，这可能与Pt金属的活性比Pd低有关，且更难氢化，因芳香硝基化合物对催化活性的要求较强。因此，本研究实验采用Pd(OH)2/C催化剂进行了后续研究。

03

溶剂筛选

在非均相氢化反应中，溶剂作为反应介质起着重要的作用，它会影响氢气和底物的溶解度、溶剂分子在催化剂上的扩散和吸附、催化剂的活性位点等。此外，选择合适的溶剂和酸碱度对反应速率和硝基对芳香二硝基化合物的优先选择性有重要影响。

实验结果表明：不添加四氢呋喃反应性能最好。（表3.1）酸性和碱性添加剂的存在对芳香二硝基化合物的氢化反应没有促进作用，反而产生更多的副产物。因此，应避免添加添加剂。

表3.1：溶剂对μPBR加氢反应的影响

04

气液流量研究

μPBR的连续加氢过程是一个复杂的气-液-固三相接触连续反应过程，该反应过程与流体条件有关，包括液流量和气流量，气液流量比(α=FG/FL)具有非常重要的意义，因为它可能会影响系统的流态和混合效率。本研究的一个主要目的是确定气液流量，并将实验测量的最佳工作比定义为能获得最大转化率和选择性的最小气液流量比。

通过增减液体流速、停留时间得出不同液体流速对催化加氢反应的影响，最终选择0.7mL/min的液体流速作为后续反应的优化条件(表4.1)。

表4.1：气液流速对μPBR加氢反应的影响

05

反应温度的影响

对于芳族二硝基化合物的加氢反应，温度对反应途径的影响很大。在本实验中，为了研究温度对加氢的影响，进行了广泛的系统研究。得出结论：为了获得最大的选择性，避免过量的副产物，后续的实验都是在55°C的反应温度下进行的（图5.1）。

图5.1：温度对μPBR加氢反应的影响

06

压力的影响

芳族硝基化合物还原加氢的压力与催化加氢性能密切相关。从化学平衡的角度看，增加压力会增加溶液中氢的溶解度和气液传质，显著影响反应速率和产物的选择性。然而，过大的压力不仅会导致偶氮化合物的积累，还会降低选择性。而且，氢气压力的增加会对反应设备和实验安全造成隐患。因此，有必要在满足反应需要的条件下，选择一个尽可能低的压力。因此，选择2.0 MPa的反应压力较为适宜（图6.1）。

图6.1：压力对μPBR加氢的影响

07

与Batch比较

本部分比较了DNAN在间歇式高压釜反应器(100 mL)和μPBR中催化加氢的反应性能，结果见表（7.1）。考察了间歇条件下不同反应时间的转化率和选择性，结果如图（7.2）所示

表7.1：与间歇式高压釜的反应性能比较

图7.2：间歇条件下不同反应时间的转化率和选择性

为了证明μPBR连续流体系在芳香二硝基化合物还原方面的优异性能，对一系列芳香二硝基化合物进行加氢测试，这些芳香二硝基化合物是精细化工中的重要中间体。

如表7.3所示，在相同的反应条件下，芳香族二硝基化合物的转化率为100%，催化剂保持了优异的催化性能，具有很高的活性和选择性。

表7.3：同一反应条件下催化剂性能

08

μPBR中催化剂稳定性研究

为了证明所采用的催化剂和μPBR系统在长期有效运行下的稳定性，进行了超过960分钟的连续操作。在前一次实验的最佳工艺条件下，在连续操作过程中定期采集样品进行分析。从图8.1可以看出，在960 min的操作过程中，催化剂并没有表现出任何活性损失。

图8.1：μPBR加氢反应的稳定性研究

09

结论

本研究成功在μPBR中，筛选了高效合成DNAN的催化剂Pd(OH)2/C。对不同工艺条件下的反应性能进行了研究,转换率达99.5%，以四氢呋喃作为溶剂,在浓度为0.2 mol/L,气液体流量比0.7mL/min, 气液比为6，温度55°C，2.0 MPa的加氢压力时,催化剂效果最佳，且在960 min内催化剂活性没有下降。

连续流微反应对芳族二硝基化合物的还原反应具有显著的转化率和选择性。

技术拓展应用在系列芳族二氨制备同样取得突破，作为连续加氢共性技术在化工行业应用具有重要意义。

与传统的间歇反应策略相比，基于μPBR的加氢连续流技术的反应效率更高，单位体积时间的反应速率提高了13.6倍。为了实现工业化放大生产，奠定了基础。

本研究获得国家自然科学基金的资金支持(U20A20143)。

参考资料：

Yang Si, a Song Liu, a Weixing Ming, a Wei Wei, a Lu Ji, a JianJun Zhang, a Tingwang An, a Dangsheng Gong, a Jingnan Zhao, b Qingwei Meng, b Dongmao Yan* a.(2022).Micropacked-bed reactor and catalyst for continuous hydrogenation of aromatic diamino compounds. 《CATALYSIS LETTERS》.

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