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    H-FLOW全自動加氫反應儀在吡啶類化合物還原反應中的應用

     發布時間:2020-07-21 點擊量:796

    吡啶類化合物的還原產物都是重要的藥物中間體,廣泛用于制備局部麻醉藥、止痛藥、殺菌劑等,同時也是重要的化工原料。目前,制備哌啶衍生物的還原產物主要采用催化加氫的方式來實現。

     

    吡啶類化合物的催化加氫過程通常都是在反應釜中進行的。相對于烯、醛等化合物,它們的加氫反應要困難得多,并且反應選擇性較差,易于生成副產物。同其它含氮雜環化合物一樣,由于吡啶的加氫產物哌啶與金屬催化劑具有較強的配位作用,使得產物難以快速脫附,導致金屬催化劑中毒而快速失活。芳環氫化主要分為均相催化加氫和非均相催化加氫,具有高活性的均相催化劑并不多見,并且這些均相催化劑不太穩定,難以從反應產物中分離出去,也不容易回收使用。目前常用的催化劑是雷尼鎳催化劑,盡管它的價格相對便宜,但它的安全性較差,對反應條件的要求比較苛刻,需要在高溫、高壓下進行反應。

     

    H-FLOW全自動加氫反應儀是基于流動化學加氫技術和微反應器技術而開發設計的,能夠完美解決常規工藝遇到的問題。它的傳質系數是傳統反應釜的上百倍,大大縮短了反應時間,提高了反應效率。催化劑可以裝填在反應柱內,原料流過催化劑后即反應完全,相對溫和的反應條件延長了催化劑的使用壽命,減少了催化劑的更換,操作更加簡便,過程更加安全。H-FLOW是實現吡啶類化合物還原反應工藝更為綠色、高效、安全的新設備。

     

    反應案例1-吡啶類化合物的連續化加氫反應

    吡啶類化合物在加氫反應中通常采用間歇式反應方式,由于吡啶環的芳香特性,這類化合物往往需要較高的H2壓力,同時還需要提高溫度和延長反應時間。研究者以吡啶-2-甲酸加氫生成2-哌啶甲酸為例,將間歇式反應條件與在微反應器內連續化加氫的反應條件進行比較。

    在間歇式反應中,研究者們選用乙醇作溶劑,H2壓力25 bar,125℃下連續攪拌1 h才可以轉化完,有時甚至需要微波進行輔助反應。由于微反應器具有較高的傳質效率,反應時間大大縮短,反應條件變得更加溫和。如圖(a)所示,研究者選用水做溶劑,Pd/C做催化劑,反應物濃度0.1 M,液體流速0.5 mL/min,氫氣壓力1 bar,80℃下進行反應,產率達到97%,與間歇式反應方式相比,它是一種更加高效安全的方式。

    圖(a)吡啶-2-甲酸在微反應器內的連續化加氫反應

     

    微反應器內發生的反應還具有通用性。如表(1)所示,研究者使用微反應器對一系列吡啶類化合物進行了連續化加氫反應。他們選用醋酸做溶劑,因為質子化作用不僅能促進吡啶進行加氫反應,而且還抑制了產物對催化劑的毒害。原料濃度為0.05 M,液體流速0.5 mL/min,H2壓力為30-90 bar,反應溫度為60-80℃,嘗試了Pd,Pt,Rh這幾種不同的金屬催化劑。研究者發現在微反應器內選取合適的反應條件后,它們的轉化率都在99%以上。與間歇式反應方式相比,它能夠實現反應條件的快速篩選,操作簡單,大大減少了時間成本。不需要較強的反應條件就能獲得較高的轉化率,說明使用微反應進行反應具有本質的安全性。

     

    表(1)吡啶類化合物在微反應器內的連續化加氫反應

     

    反應案例2-常用中間體4-苯基哌啶的連續化加氫反應

     

    4-苯基吡啶(4PhPy)及其衍生物是重要的有機合成中間體。如圖(b)所示,4-苯基吡啶加氫會生成兩種主要產物,分別是4-苯基哌啶(4PhPip)和4-環己基吡啶(4CyPy),他們會進一步加氫生成4-環己基哌啶(4CyPip)。因為這個反應較難發生,且反應產物較多,所以我們要選取合適的反應方式,要把控反應路徑的選擇。

     

     

    圖(b4-苯基吡啶的催化加氫反應路徑

     

    研究者比較了間歇式反應方式和在微反應器內的反應。如表(2)所示,首先在反應釜中進行篩選,選用乙酸乙酯作溶劑,原料濃度0.5 M,反應溫度80℃,H2壓力30 bar,催化劑選用5 wt%Rh,Pd,Ru,Pt這幾種不同的金屬。從表中看到,它們都需要長時間的反應,甚至達到了幾十個小時。它們的轉化率較低,都沒有超過50%。目標產物4-苯基哌啶的選擇性良好,但仍然有10%以上的其它副產物。

     

     

    表(24-苯基吡啶在反應釜中的加氫反應

     

    為了使4-苯基吡啶的加氫工藝順利進行,研究者選擇在微反應器內進行反應。他們使用乙酸乙酯作溶劑,原料濃度0.1 M,液體流速0.5 mL/min,反應溫度110℃,H2壓力30 bar,氣體流速26 mL/min,10 wt%Pd/C作催化劑進行反應,終4-苯基吡啶的轉化率達到92%,4-苯基哌啶的選擇性達到93%。

    在微反應器內進行的反應都具有較高的傳質效率,反應液從系統入口到出口,整個過程不超過10 min,大大縮短了反應時間。如圖(c)所示,研究者又進行了長時間不間斷的反應。連續運行120 min后,4-苯基吡啶的轉化率在前60 min內下降了7%,然后在接下來時間內轉化率保持不變,目標產物的選擇性從93%少量增加到95%。由于在微反應器內采用的是平推流反應模式,產物能夠快速的脫附并與催化劑分開,減少了吡啶和芳香族化合物對催化劑的毒害作用。

     

     

    圖(c4-苯基吡啶在微反應器內連續反應120 min的加氫反應

     

     

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    實驗總結

    H-FLOW全自動加氫反應儀是更加智能便捷的微反應器系統,它能夠使加氫反應更加安全、穩定。H-FLOW適用于各種吡啶類化合物的連續化加氫反應,我們將催化劑固定在反應柱內,可以快速地篩選條件,產物能夠迅速的脫附,避免了對催化劑的毒害作用,減少了催化劑的更換和分離操作。它具有較高的傳質效率,與間歇式反應器相比,它的反應條件更加溫和,反應時間大大縮減,操作更加簡單也更加安全。是實現吡啶類化合物還原反應工藝更為綠色、高效、安全的新設備。

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