连续化微反应技术在香料合成中的应用

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摘 要：作为一项全新的过程强化技术，连续化微反应技术在香料合成中的应用与日俱增。本文综述了近年来微反应技术在香料合成研发和生产方面的进展。与传统的间歇式反应器不同，连续化微通道反应器的主要特点是连续进料、传质换热能力大大加强以及可以精确控制反应参数等。该技术在许多香料合成常用的反应中都体现出了常规反应器无法比拟的优势，同时在合成香料工业应用的成功范例也展示了微反应技术可以预见的广阔前景。

关键词：微反应技术，微反应器，微通道，连续化，合成香料

Abstract:As a new process enhancement technology, continuous microreaction technology is increasingly used in the synthesis of fragrances, fragrances and cosmetics. In this paper, the progress of microreaction technology in the development and production of fragrance synthesis in recent years was reviewed. Different from the traditional batch reactor, the main characteristics of the continuous microchannel reactor are continuous feed, mass transfer and heat transfer ability, and accurate control of reaction parameters. The technology has shown its incomparable advantages in many reactions commonly used in fragrance synthesis, and the successful examples in the synthetic fragrance industry show the broad prospect of microreaction technology.

Key words: microreaction technology, microreactor, microchannel, continuum, synthetic fragrance

微通道反应器是一种微型连续流管道反应器，由许多微管并联而成。微管的内径一般为10~1000微米，具有巨大的比表面积，带来巨大的换热效率和混合效率。微通道反应器的核心是微结构。微结构将流体切割成微米薄层，层流特性以扩散为主。根据不同种类的微结构，可以设计不同类型的微通道反应器。有将两种反应物简单混合形成一种产物的管状结构，也有由微传感器、微换热器、微混合器、微反应器、微流量器件等组成的集成系统。

自上个世纪90年代初美国Dupont公司率先展开了微化工系统在危险化学品 生产中的应用基础研究，成功开发出合成异氰酸甲酯的微型化工装置。 美国PNNL（Pacific Northwest National Lbaoratory）主要开展燃料电池氢源系统微型化研究，反应器主体结构是一个错流式微通道换热器，与传统相比，相同的处理能力，反应器体积可减小l～2个数量级。 微反应器在传质、传热、恒温等方面表现出的巨大优势，自面世以来迅速引起相关领域专家的浓厚兴趣和关注。

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连续化微通道反应器的特征及其优势

微反应器从本质上讲是一种连续流动的管道式反应器；反应器中的微通道利用精密加工工艺制造而成，特征尺寸通常在10~1000微米之间。由于微反应器内工艺流体的通道尺寸非常小，相对于常规管式反应器而言其比表面积体积比非常大（可达10000~50000m2/m3，见图1-1），因此，微反应器具有极高的混合效率（毫秒级范围实现径向完全混合）、极强的换热能力（传热系数可达25000W/(m2·K））和极窄的停留时间分布（基本接近平推流）。其实，对于微反应技术相对于常规反应器的优势在文献中已有不少详尽的描述，具体到香料合成方面的应用，具有完全不同于常规反应器结构特征的微反应技术有以下几个突出的优势：（1）微反应器技术可以实现反应物料的瞬间混合和对反应工艺参数（如温度、压力和反应时间等）的精确控制，可以提高反应的收率和选择性；（2）实现过程的连续化和自动化控制，从而提升工艺稳定性并确保产品质量；（3）在线反应体积小，保证了化学反应的安全性；（4）此外，微反应技术消除了过程放大效应，小试工艺的最佳反应条件可以直接用于工业生产，大大缩短了工艺研发时间。

图1-1 微反应器与常规反应器的比表面积/体积比值的对照

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微反应器技术在香料合成中有优势的反应类型

自从水杨酸甲酯、肉桂醛、苯甲醛和香兰素等自然界存在的香料首次被人工合成出来以后，采用天然原料或化工原料、通过化学合成方法制取香料化合物的合成香料工业发展突飞猛进，目前已经成为一个门类齐全的科学与工业体系。作为精细有机化工的重要组成部分，合成香料在食品、化妆品、纺织、医药、橡胶、塑料、饲料、涂料等方面有着广泛应用；目前世界上合成香料已达5000多种，常用的商品化产品超过1000种。按官能团分类,合成香料可分为烃类香料、醇类香料、醛类香料、酮类香料、缩醛缩酮类香料、醚类环醚类香料、酯类香料、内酯香料、酸类香料、酚类香料、腈类香料和含硫含氮和稠环类香料等。合成香料的开发途径有很多，可以利用价格便宜、易得的天然香料或石油原料和中间体合成、改造结构复杂难以合成的天然香料、利用新的合成方法以及改进传统工艺等等。此外，香料、香精合成也有其特殊性，一般要求产品纯度非常高或者产品中各组分的比例非常固定（有时不是单一组分），因此对于工艺的稳定性和可重复性要求很高。但从香料合成中涉及的化学反应来讲，常用的反应类型不外乎有以下一些：氧化反应（硝化反应等）、还原反应（氢化反应等）、Michael加成反应、活泼有机金属化合物参与的反应（格氏反应等）、偶联反应、光化学反应、裂解反应、酯化反应、异构化反应以及羟醛缩合反应等等。以上所提到的反应类型基本上都具有一个或几个适合用微反应器技术进行工艺改进的特征，如：

（1）快速的强放热反应；

（2）要求快速均匀混和的反应；

（3）要求精确控制反应工艺参数（如温度、压力、反应物配比和停留时间等）的反应；

（4）涉及不稳定中间产物或有后续副反应的反应；

（5）涉及危险化学品或高温高压的反应；

（6）要求工艺稳定性高、可重复性好的反应。

下面列举微反应技术在香料合成常用的一些类型反应中的应用并分析其中的优势所在。

2.1氧化反应

许多氧化反应一旦引发后会有比较剧烈的反应，尤其是使用强氧化剂的反应会释放比较大的反应热。我们知道氧化反应除了常温氧化，还包括高温氧化和低温氧化，其中后两者在实际生产中对于反应工艺条件的控制要求非常高。高温氧化往往属于易失控反应（如氧气或者过氧化物参与的反应等）；一旦失控，就会造成反应温度急剧升高、反应压力急剧加大，引起冲料甚至引发爆炸。而在微反应器中由于反应热可以很快导出，因此反应温度可以有效控制在安全范围内，使失控的风险降低到最低；同时由于是连续流动反应而且在线的化学品量极少，即使发生意外而造成的危害也是微不足道的。不论低温氧化还是高温氧化，很多反应的选择性调控是个难题。特别是某些产物的稳定性差，在反应器中停留时间稍长或由于间歇反应局部热点的问题就会分解或发生氧化过头而降低选择性和收率。在微反应器中因为物料是连续流动的，它在反应器中的停留时间以及反应温度可以精确控制，从而有效减少了副反应的发生，提高了收率。此外，有些氧化反应要求将底物和氧化剂瞬间均匀混和，如果混和效果不好也可能造成氧化过头或者氧化剂因沉淀而失去活性等不利情况。微反应器在此类情况中的优势也是非常明显的。

2.2还原反应

还原反应（包括氢化反应）与氧化反应类似同样存在反应选择性差和反应活性过高的问题，尤其是那些涉及强还原剂或选择性还原的反应。以Dibal-H为还原剂从羧酸酯制备醛的反应就是这样一个例子：由于产物醛的稳定性差，在常规反应器中停留时间稍长或温度稍高就会被过度还原为醇而降低了反应的选择性和收率。常规间歇反应一般都采用极低温（-78℃）并且使用慢滴加的方式完成这一过程，而微反应技术可以很方便地解决这一难题。Lonza公司曾报道利用微反应技术成功完成了丁酸甲酯到丁醛的 Dibal-H还原反应，具体反应方程式和副反应如图2-1所示。结果表明，微反应器的使用可以使工艺在更高温度条件下（-20~0℃）顺利完成而不影响反应的收率，同时该微反应工艺可以很方便地放大而不影响反应选择性。值得一提的是，作者还考察了不同微反应器在该反应中的表现以及其混合性能，其中拜耳（Ehrfeld Mikrotech-nik BTS）公司的ER25微反应器效果最好。

图2-1 微反应技术在Dibal-H还原反应中的成功应用

2.3Michael 加成反应

Michael加成反应在香料有机合成中是一类非常重要而且应用非常广泛的反应,主要是指亲核试剂对共辄芜基化合物等的1,4-加成反应。众所周知，虽然 Michael加成是热力学更加稳定的反应路线，但是在不少情况下会存在1,2-加成的副反应。此外，有些亲核试剂可以发生多次Michael反应，但如果只要求单取代产物，那么在常规反应器中反应物料的配比以及加料次序对结果影响很大，而且副反应难于抑制（如会有二取代和三取代产物）。微反应工艺针对上述两种情况都可以实现工艺优化。一方面，微反应器传质换热的优势可以提升反应的选择性；另一方面，由于微反应器系统可以实现物料的瞬间均匀混和、避免局部过量，使副产物的产生减少到最低。

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结语和展望

相对于传统的间歇反应工艺，微反应器具有高速混合、高效传热、反应物停留时间的窄分布、重复性好、系统响应迅速而便于操控、几乎无放大效应以及在线的化学品量少，从而达到高安全性能等优势。据统计，在精细化工反应中有大约20%的反应可以通过微反应技术在收率、选择性或安全性方面得到提升。综上所述，微反应技术为香料合成工艺过程的研发以及提高工艺过程的经济性开拓了新的思路。一方面，许多香料化学家和工程师将微反应技术视为寻求新的反应途径、合成新的化合物的的独特工具；另一方面，通过微型化改造现有工艺，建立新的、更具经济性的微反应工厂也颇具吸引力。微反应技术在全世界范围内香料工业研发和生产上的应用正日益增多，在可以预见的未来，这一技术必将得到广泛应用。

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