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提高氢解产率,连续流催化加氢体系中有关溶剂的经验分享

2023年09月18日 08:56:32来源:HORIBA 科学仪器事业部
  连续微反应加氢技术是一种原子经济且高效、绿色化的合成手段。
 
  溶剂对非均相催化加氢体系的影响也较大,通常涉及氢气的溶解度,溶剂分子在催化剂活性位上的竞争性吸附,催化剂颗粒的团聚以及反应物或产物分子与溶剂之间的相互作用。
 
 01  最佳溶剂 
 
  不同催化剂-溶剂组合的加氢活性略有差异。
 
  连续流催化加氢脱保护通常选择低级醇、四氢呋喃、乙酸乙酯、乙酸和二甲基甲酰胺等极性溶剂为反应溶剂,其中二甲基酰胺在含OH-的水溶液中会逐渐分解为甲酸根与二甲胺,而游离胺的存在会影响催化剂的部分活性。鉴于甲醇和乙醇的低毒性、低成本和高溶解性,其通常被视为最佳溶剂。
 
  当选取SiliaCatPd(0)为催化剂,并以甲醇、乙醇或四氢呋喃为反应溶剂分别进行1-(苄氧基)-4-甲氧基苯的加氢脱保护。结果表明,底物在甲醇中的氢解速率最快,且底物浓度过高会减缓甚至抑制氢解反应。
 
 02  溶剂特性 
 
  脱保护溶剂还可分为单相和双相溶剂,后者有助于实现氢解产物与保护基的相分离,可有效解决目标产物的分离问题,并避免因有机组分快速固化而造成管线堵塞。
 
  当分别利用纯乙醇和KOH-异辛烷-Aliquat®336混合溶剂进行苄甲基醚的氢解时,发现Pd/C催化剂在乙醇中的氢解效率明显较高,而Raney-Ni恰恰相反。推测催化剂表面涂覆的Aliquat®336可促进Raney-Ni向反应的有机相转移,并为底物提供具有特定官能团催化位点的反应微环境。
 
  在研究体系pH与脱苄基和脱氯的选择性关系时,以4-氯-N,N-二苄基苯胺为底物,并采用三乙胺/乙酸缓冲液调节反应体系的pH。研究结果表明,当体系的pH高于被保护胺的pKa时,可以实现高选择性脱氯;反之,有机胺将以质子化形式存在,增强N-Bn键(Bn代表苄基)的亲电性,既可抑制脱氯的部分活性,又能防止催化剂失活。
 
  在连续氢解苄基类保护基时发现四氢呋喃和2-甲基四氢呋喃对Pd(OH)2/Al2O3催化剂具有一定的毒害作用,可使氢解转化率缓慢下降,但具体的催化剂失活机理有待进一步研究。
 
 03  为什么是氢气 
 
  氢气在传统有机溶剂中的溶解度一般较低,但与超临界流体(如超临界二氧化碳)混溶。超临界流体凭借其低黏性、良好的传质和传热性能以及易与产物和溶剂相分离,将在连续催化加氢领域占据重要地位。
 
 04  为什么选连续流 
 
  相较于高压间歇加氢釜等传统反应器,连续流微反应器可利用其微通道优势解决气-液-固三相界面接触面积小、相间传递速率低等问题,其高效的气液传质效率与平推流特性还可实现高选择性脱保护,并显著缩短反应时间。
 
  此外,加氢脱保护通常需在一定压力下进行,以增加氢气在溶剂中的溶解度及其在催化剂表面的吸附程度,故存在一定操作危险性,而连续微反应器凭借其体积小、持液量小、氢气滞留量低等优势可实现安全可控的生产目的。
 
 05  设备的优选 
 
  连续微反应加氢技术在脱保护反应中的优势明显。H-Flow微反应加氢平台基于清华大学微反应加氢技术,具有过程安全性高、反应时间短和催化剂成本低等特点,经过不断的迭代升级,已经实现了加氢反应全流程自动控制、在线实时检测、样品自动采集等自动化控制及时、准确地监测反应信息。通过反应进程的监控,利用收集到的数据进行连续反馈与调控,实现反应过程的不断优化,这将显著提高工艺开发的整体效率。

 

 
  H-Flow微反应加氢平台不仅实现了在实验室内高效进行加氢工艺开发及催化剂快速筛选,其高通量版已经实现在通风橱内进行加氢公斤级产品的定制生产。

 

  H-Flow微反应加氢平台具有高可控性、高产率、高效、安全和节能的内在属性,使氢化反应工艺向着绿色、安全、高效和可持续化方向发展,欧世盛可提供从小试到放大生产全套工艺和设备,在连续化加氢领域装备创新方面。
 
应用领域

 

 
  实验室型平台特点  
 
  ♦  高压高纯氢气发生器直连,安全高效
 
  ♦  全流程控制,避免批次间差异
 
  ♦  反应时间缩短至3min内
 
  ♦  具有本质安全属性,反应器体积小
 
  ♦  制备筛选mg、g级、kg级产品及催化剂寿命评价
 
  ♦  200℃最高反应温度和10MPa最高系统工作压力,适合广泛的加氢应用
 
  ♦  实时在线监测及分析:搭载在线紫外 - 可见、傅里叶中红外检测器
 
  ♦  节省人力成本:选装在线样品自动采样器,定时对加氢产物取样
 
  ♦  节省宝贵空间:设备体积小,可放置在通风橱内工作

 

 
  生产型平台特点  
 
  ♦  配备DCS系统,高度自动化完成反应
 
  ♦  系统温度、压力、液位自动化控制,节约成本
 
  ♦  系统软件成熟流程设计,历史数据采集、存储、回放、报表等功能,数椐处理自动化完成
 
  ♦  系统温度、压力、流量控制精准平稳,数据精确可靠、重复性好
 
  ♦  配置计算机CFR自动连锁保护逻辑和超温报警自动连锁保护,确保100%安全

 

 
  系统控制软件  
 
  ♦  温度、压力、液位、检测等自动精准控制进而实现系统自动化

 

 
关键词:提高氢解产率,连续流催化加氢体系中有关溶剂的经验分享
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