控制涉及不稳定中间体的反应的一般策略
如下图所示,我们假设存在如下反应过程:起始原料S以反应速率1(rate 1,k1)生成不稳定中间体I,中间体I随着时间的延长会以反应速率2(rate2,k2)分解生成副产物B。当积累了足够数量的中间体I时,加入适当的淬灭剂(Q)可以获得所需的产物(P),此反应过程非常快。
为了简化计算,假设不稳定中间产物I的生成和分解为一级反应,并且假设I与Q的反应以足够快的速率发生。如下图所示,为S、I、B随反应时间的变化情况,其中反应速率常数k1是k2的100倍。随着反应时间的延长,原料S含量下降,中间体I含量上升,在0.5h时中间体I含量达到最高,如果继续延长反应时间,I含量逐渐降低,副产物B含量逐渐升高,主要原因是I的分解副反应。所以,为了获得收率90%或更高的产品P,应在0.25-0.6h左右的时间范围内加入淬灭剂Q,较长的时间范围意味着该反应可以在烧瓶中进行,操作没有问题。
但是,如果将上述反应为秒级反应,如下图所示,为了获得收率90%或更高的产品P,需要在0.25-0.6s左右的时间范围内加入淬灭剂Q,此时烧瓶或者间歇釜式反应器的时空分辨率就难以满足了,此时微反应连续流系统则更加合适。微反应连续流系统可以将反应时间精确地设定在秒级或更短的适当时间范围内,因此可以高收率地获得产品P。
但是如果一种中间体的生成和分解的反应速率是相互竞争的,那么就算在微反应连续流系统内,最大产率也会相当低。在这种情况下,降低温度可以使中间产物I的生成和分解解耦,从而获得高产的产物P。但是当I的分解速度快于I的生成速度时,在任何条件下都大多不能得到所需的产物P。
反应随温度-停留时间变化图
化学反应速率受温度影响比较大。反应速率一般随着温度的升高而增加。因此,利用淬灭法绘制反应进行的程度(起始原料的转化率/产物的产率)与温度和停留时间的关系,对于反应过程的控制是有很有帮助的。如下图所示,为某类反应原料转化率和产物产率随温度和停留时间的变化图,从图中我们可以很容易的得到:在较低的温度和较短的停留时间下,原料的转化率和产品的收率都较低。转化率和产率随温度和停留时间的增加而增加,然而,进一步提高温度和停留时间可能会导致活性中间体的分解,从而导致产率下降。所以,温度-停留时间图是分析微反应连续流工艺和优化反应条件的有力工具。
原料转化率-反应温度-停留时间
产品产率-反应温度-停留时间
参考文献
[1]J.Am.Chem.Soc.131,1654,3787 (2009)
[2]Chem.Eur.J.16,14149 (2010)
[3]Chem.Rec.10,332 (2010)
[4] Basics of flow microreactor synthesis.
Tokyo: Springer Japan, 2015.
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