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有机合成工艺优化-(13.混合和反应器)13.3连续流动反应器与放大工艺

   日期:2023-09-08 01:01:28     来源:网络整理    作者:本站编辑    浏览:30    评论:0    
有机合成工艺优化-(13.混合和反应器)
13.3连续流动反应器与放大工艺
连续流动反应器(流动单元反应器)允许物理作用被固定化和紧密控制。关注物理作用能够使得或许在其他条件下难以高收率完成的反应得以放大。下面的许多例子可以在较短的时间投资在较小的放大规模或者中试规模运行。
II.A静态混合器
管道静态混合器被开发用于许多混合物一从溶液到多相的混合物(例如,两种不互溶的液体或者在液体中的气体)、到粘稠的液体的良好混合,例如,花生酱([19]。商业的管道混合器是外径0.8in、长6in的管子。管内安装固定的元件主要从径向方式对混合物中的组分加以混合。通过提供高表面积-体积比的反应器,可以有效地传导热量静态混合器适用于需要良好局部搅拌以减少由于试剂局部过量产生副产物的反应。例如,静态混合器曾用于Kowalski反应(图8.17),以减少由于温度控制不善与局部搅拌不良增高的副产物。“即时”的淬灭和调节pH也可以通过静态混合器实现。

环丙胺是一种用于医药行业与农业的中间体,近期有两篇专利提到了用于环丙胺10制备的连续生产过程(图13. 11)。在较早的那篇专利中,一个双反应器链用在一个CSTR的方法中[20]。在第一个反应器中,同时加入8的水溶液和NaOCl水溶液,从第一个反应器中的溢流收集到预先加入45%氢氧化钠水溶液、温度低于30C的第二个反应器中。延长的滴加过程保证了大量放热的水解和脱羧过程的温度控制。随后碱性混合物转移到蒸馏装置中,10 通过蒸馏提纯,收率高达96%。后一篇专利描述了一个更连续的应用管式反应器的生产过程[20]。8和2当量氢氧化钠在水中的悬浊液用1当量NaCIO的水溶液在不超过15度的温度下处理。大约20min之后,得到的溶液通过80C的管式反应器,溶液在管内的停留时间大约1.5min。从管式反应器出来的产物进人装有沸水的蒸馏柱中,产物10通过蒸馏回收,两部分馏分的总收率为93%。第二个专利宣称其中提供的改进提高了产能。

在上述两个制备10 的工艺过程中,都没有提到脲11 (图13. 10)。异腈酸盐9可能在上述的条件下水解足够快,可以将11的形成降到最低。

II.B负载型催化剂

催化剂负载技术是一种有效的简化后处理和延长催化剂寿命的手段。早先提到的些例子,包括多聚TADDOL (图3. 24),在相转移反应中使用第三相(图9.6 (b));也包括了使用离子交换树脂制备MTBE (图13. 6),在实验室规模的果糖连续脱水反应中也有报道(图13. 12)522]。含有5%体积比水分的0. 5mol/L的果糖DMSO溶液60°C下通过一根装有 离子交换树脂的玻璃柱循环。洗脱液通过蠕动泵进人柱子顶端。5羟甲基-2-糠醛12的浓度在大约50h后达到顶点。类似地将反应液循环通过装有试剂[23]或者催化剂柱子的方法可以方便的应用于实验室或者放大反应。

酶负载技术已经在精细化学品的制备上应用了许多年。消旋的胺通过酶介的酰化过程得以拆分(图13. 13)21。预先混合好消旋胺13和酯14的溶液,然后用泵运送入装有固定在玻璃细珠上的酶的柱子顶端。非酶催化的酰化反应由于13和14接触时间的降低和在3-甲基戊醇中进行反应等原因而变慢。将洗脱液直接导人浓盐酸中以便将未参与反应胺转化为盐酸盐15,防止进一步的非酶催化酰化。

II.C光化学反应器

连续流动反应器能够实现光化学反应的放大过程。直接从常规的实验室光化学反应器放大是困难的:因为很少有大型的反应釜允许光穿过釜的侧壁,否则光源就必须浸入在反应内。光源周围的流通必须是良好的,因为光传输功率随光源距离的平方下降[B]。放大工艺中光化学反应的要素已经有讨论[26]。

此处描述了一种既适用于实验室又适用于放大操作的实用的光化学溴化反应(图13.14)[2]。早期研究通过光照16和NBS的溶液表明,在经过段时间的滞后,反应剧烈放热,反应可能会失控。1,3-二溴-5,5-二甲基乙内酰脲(DBH)经证实是一种温和的溴化试剂,在催化的Perkadox-16N存在的条件下可以引发自由基反应。反应液用泵输送进入一根太阳光照射的管子,继而通过管式反应器循环,直至反应结束。这个工艺过程在4. 25kg规模的投料量是成功的。对于更大量的放大,使用了一个特殊设计的反应器(图13.14)。反应液同样用泵输送进人聚四氟管,聚四氟管则缠绕在内置光源圆柱体上,通过有效地调节停留时间以便当反应液离开光化学室时,反应能够完成97%。利用这个设备,17 可以在20kg规模得到90%的收率。

III.D微波反应器

微波反应器通过瞬间升温的方式已经被用于加速许多反应的进行[80]。这个方法.的潜力最近在如图13.15所示的不对称烯丙基烷基化反应中得以体现[31]。该项技术中所涉及的BINAP以及其他一些配体如果在无微波照射的条件下催化的反应其转化率相对比较慢。

微波照射会产生高温和相应的高压,反应釜应配备泄压阀。这种安全隐患限制了微波促进反应的放大应用。连续微波反应器已见报道[5],供实验室用的连续流动反应器也已商品化53,

III.E声化学反应器

在超声波降解过程中,电能转化为机械能。声波产生气蚀(非常细的泡泡形成和破裂的过程),气蚀产生了巨大的机械剪切力。颗粒被“锤击”形成了更小的颗粒,系统中增加的能量能够促进化学反应。超声波化学最近也有综述[34]。声化学中大部分研究已经在超声波清洗池中实现。放大上的操作可以通过使用批量的流动单元来实现。

III.F塞流反应器

对于放热反应塞流反应器可以提供安全操作方式,如图13. 16538]。乙炔类化合物18的重排在热的N,N二乙基苯胺或者邻二氯苯中很容易发生,但是当反应进人到批量生产时却观察到几个不可控反应。

危害评价显示105C以上有强放热反应。反应可以通过向热的N,N-二乙基苯胺中缓慢滴加18来控制,但后处理非常繁琐。重排可以在无溶剂的条件下完成以避免所有有毒溶剂。将纯的18通过一个狭窄的热管, 这样产生的热量很容易散去,放热反应得以控制。其具体操作是,195~200C 下将熔融的18以泵打入一根不锈钢管(0. 125inX25ft, 20ml/min), 52. 3kg 18以95%的收率转化成19。这个方法既可用于实验室,也可用于放大。

提示:柱塞TFR反应可以使用GC柱溫箱作为热源来进行。
III. G电化学反应器

由于电力廉价,而且通常避免了有毒金属试剂,电化学工艺常称为“绿色化学”。电化学工艺已经生产了大量大宗化学品(37]。最著名的也许是从还原性的丙烯腈的二聚体制备己二腈(图13. 17)138。电化学合成生产非诺洛芬如图13. 18所示,其中镁作为消耗电极59]。经济节能的流动池技术已经应用于这些操作。

电化学反应很容易在实验室中实现4.41。氧化反应更容易执行,主要是因为不必排除大气中的氧气。实际上,许多电化学氧化反应在烧杯中就能够简易实行。例如,化合物20 β丙酰胺的脱保护进行得很好(图13. 19)[42],从而代替了Ce(NH4)2 (NO2)。(CAN)。电化学环氧化制备硫酸茚地那韦中间体化合物21产率也很好(图13. 20)43]。尽管反应的立体选择性不如NCS诱导时好,但只需一步就可完成其制备。用于电化学反应放大的装置也已经商品化

提示:连续流动反应器为其他方法很难实现放大的工艺操作提供了可行的途径。前期用于调研如何建立一个连续工艺所花费的时间可能比较长,但日后的回报也将非常显著。


 
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