硝酸环己酯在微通道反应器中的连续流合成

核心速览

研究了在微通道反应器中硝酸环己酯的连续流合成工艺，优化了反应条件以提高产物收率和纯度。

研究背景

·  研究问题：如何在微通道反应器中实现环己醇的连续硝化反应，以提高硝酸环己酯的收率和纯度，同时降低能耗和提高安全性。

·  研究难点：硝化反应是快速且强放热的，需要精确控制反应条件以避免副反应和提高安全性。传统方法存在能耗大、成本高、对环境不友好等问题。

·  文献综述：已有研究报道了微反应器在硝化合成中的应用，如合成二氯硝基苯、二硝基苯甲酸和硝基胍等，显示微反应器能显著改善传统反应釜中硝化反应的控制问题。然而，关于环己醇在微通道反应器中连续硝化反应的研究较少。

实验部分

主要试剂与仪器

·  环己醇、浓硝酸、浓硫酸等主要试剂均购自北京伊诺凯科技有限公司和国药集团化学试剂有限公司。

·  使用HR-N型恒温换热循环器、MPC型液相计量泵等仪器。

实验流程和装置操作

·  实验在常压下进行，通过恒温换热器设定微通道反应器的反应温度。

·  反应物料按设定摩尔比流入反应器，在微通道模块中混合、反应、停留一段时间后，通过冰浴分出有机相，碳酸钠水溶液水洗中和后用无水硫酸钠干燥得粗品。

反应过程及分析方法

·  采用气相色谱分析反应液，通过连续收集反应液并进行后处理得到粗品，称重、检测含量后计算收率。

结果与讨论

·  优化的工艺条件为：环己醇、硝酸、硫酸的摩尔比为1:1:1，反应温度为特定温度，停留时间为特定秒数。

·  在优化条件下，产物收率可达特定百分比，纯度为特定百分比。

·  微通道反应器的使用有利于对反应的精确控制和降低能耗，并增加硝化工艺的安全性。

结论

·  本研究成功实现了环己醇在微通道反应器中的连续硝化反应，优化了反应条件，提高了产物收率和纯度，同时降低了能耗和提高了安全性。

关键词

环己醇、硝化反应、微通道反应器、连续流工艺、尺度效应

基金项目

·  江苏省高等学校自然科学研究项目（KJB）

·  常州市微流控芯片技术及装备重点实验室（CM）

·  常州市科技项目合同应用基础研究计划（CJ）

作者简介

乔奇伟，博士，讲师，主要从事微反应器研究。

通信联系人

王晓东，E-mail：wangxd@.com。

实验材料与仪器

·  主要试剂：实验使用了质量分数99%的环己醇、65%的浓硝酸、98%的浓硫酸等化学试剂，均购自北京伊诺凯科技有限公司和国药集团化学试剂有限公司。

·  仪器设备：实验中使用了HR-N型恒温换热循环器、MPC型液相计量泵等仪器，以及由豪迈CS型碳化硅微通道反应器及相关连接件组成的微通道反应器系统。

实验流程和装置操作

·  实验条件：实验在常压下进行，通过恒温换热器设定微通道反应器的反应温度，并使用计量泵控制反应物料的流速和摩尔比。

·  操作步骤：将反应物料按设定摩尔比同时流入反应器，在微通道模块中混合、反应、停留一段时间后，通过冰浴分出有机相，再经过水洗和干燥得到粗品，最后进行称重和含量检测。

反应过程及分析方法

·  气相色谱分析：采用HP-毛细管柱进行气相色谱分析，通过设定的温度程序和进样量，对反应产物进行定性和定量分析。

结果与讨论

·  反应物摩尔比对反应的影响：实验发现，当环己醇与硝酸的摩尔比为1:1.5时，反应效果最佳。过量或不足的硝酸都会影响反应的完全性和产物的纯度。

·  硝酸与硫酸的摩尔比对反应的影响：硝酸与硫酸的摩尔比为1:1时，反应速率和产率均达到最优。硫酸的适量使用有助于提高反应的稳定性和效率。

·  温度对反应的影响：反应温度控制在50℃时，反应速率和产率均较高，且避免了高温导致的副反应和安全风险。

·  停留时间对反应的影响：适宜的停留时间为120秒，此时反应物混合充分，反应达到平衡，产物收率和纯度均较高。

与传统间歇釜工艺对比

·  工艺参数对比：微通道连续流工艺与传统间歇釜工艺相比，在反应温度、反应时间、收率和纯度等方面均显示出优势。微通道工艺通过强化传质传热，保证了反应温度的稳定，同时缩短了反应时间，提高了收率和纯度。

总体结论

·  工艺优化：通过微通道反应器合成硝酸环己酯的工艺条件得到优化，反应物摩尔比为环己醇:硝酸:硫酸=1:1.5:1，反应温度为50℃，停留时间为120秒，此时产物收率可达95%，纯度为98%。

·  工艺优势：微通道反应器的使用显著提高了反应的可控性和安全性，同时降低了能耗和生产成本，缩短了研发周期，具有良好的工业应用前景。