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微反应器中反应过程的监测：联机分析

联机分析（On-line analysis 或 In-line analysis）是指在工业生产过程中，将分析仪器直接连接到生产设备或流水线上，实现对生产过程中的原料、中间产品或最终产品进行实时、连续的监测和分析的技术。这种分析方式可以及时反馈生产过程的关键参数，从而实现对生产过程的实时控制和优化，提高产品质量和生产效率，降低成本，并确保生产安全。

联机分析的主要特点包括：

1）实时性：能够对生产过程进行实时监测，及时发现问题并进行调整。

2）连续性：分析仪器连续工作，不需要人工取样和分析，减少了人为误差。

3）过程控制：通过实时数据分析，可以直接对生产过程进行控制，优化生产条件。

4）数据管理：可以收集大量生产数据，便于后续的数据分析和质量追溯。

5）减少浪费：通过精确控制，减少原料浪费和不合格产品的产生。

联机分析广泛应用于化工、制药、食品加工、环境监测等多个领域，是实现智能制造和工业4.0的重要组成部分。

联机分析技术可以与微反应器系统相结合，不同位置的化学物质浓度可以通过安装传感器或测量装置来实现实时测量。如下图所示，在微反应连续流管道出口处安装流动衰减全反射（ATR）红外光谱仪来分析电化学流动反应器中阳极氧化生成的N-酰亚胺正离子浓度。由于羰基伸缩振动，N-酰亚胺正离子在1814cm⁻¹处表现出特征吸收。吸收强度随电流增大而增大，表明N-酰亚胺正离子浓度随电流增大而增大。在这种情况下，可以实现N-酰亚胺正离子浓度的在线监测。

微反应器中反应过程的监测：连续流反应淬灭法

联机分析不能适用于所有化学物质的定量分析。另一种监测反应过程的方法是在反应器出口处加入淬灭剂（终止剂），并通过改变反应器长度或改变流量来改变停留时间来分析产物。产品可采用气相色谱或高效液相色谱等常规定量分析方法进行分析，可同时分析多种化合物。即使对于不稳定且在短时间内分解的活性物质，也可以选择淬灭剂立即与该物质反应并将其转化为稳定的化合物，然后可以用常规方法对其进行分析，以估计活性物质的浓度。例如，如下图所示，在四亚甲基乙二胺（TMEDA）存在下，环氧化苯乙烯1去质子化生成环氧乙烷基锂化合物2（活性中间体），然后在低温（如-95℃）下与碘甲烷进行反应得到所需的目标化合物3。然而，在没有TMEDA的情况下，在−78°C的较高温度下进行反应会导致化合物3产率的显著下降。主要原因是活性中间体2的分解，所以在上述情况下我们无法通过产物3的浓度来定量活性中间体2的合成情况。

在微反应器中生成环氧乙烷基锂化合物2并与碘甲烷反应的过程如下：首先将环氧化苯乙烯1的四氢呋喃溶液与s-BuLi溶液在微型混合器M1中混合。环氧乙烷基锂化合物2在R1微反应器中生成。随后，在微型混合器M2中加入碘甲烷的四氢呋喃溶液。环氧乙烷基锂化合物2在R2微反应器中与碘甲烷反应生成相应的目标产物3，其浓度可以通过气相色谱使用内标法测定。我们可以认为产物2的浓度等于产物3的浓度，因为环氧乙烷基锂化合物2和碘甲烷的反应非常快。所以，在R1中设置合适的停留时间是很重要的，停留时间应足以使1完全转换为2。但停留时间不宜过长，以避免分解。

反应温度对控制反应很重要，因为化学反应的速率通常取决于温度。如下图所示，在-78℃下进行上述反应，在保持流速不变的情况下，通过改变反应器长度来改变停留时间，得到原料1与产物3随着停留时间的变化情况，原料1的大部分在25s左右的停留时间内消耗。这表明环氧化苯乙烯1与s-BuLi的反应在25s左右的时间内完成。

大部分原料1可以在25s内转化为环氧乙烷基锂化合物2，其在微反应器系统内的反应过程如下图所示，在−78℃时，在25s的停留时间内几乎没有环氧乙烷基锂化合物2分解，可以认为这是去质子化反应所需的时间。通过这种方式，流动反应过程可以设定很短的停留时间，使环氧乙烷基锂化合物2（寿命短的不稳定反应物）在分解之前与碘甲烷完成反应。

与微反应器相比，由于反应所需热质传递速率的限制，间歇釜式反应不能在短时间内完成上述反应。极小规模的间歇釜式反应器（实验室规模）可以在1min或更短的反应时间内完成，但大规模的间歇釜式反应器不能在短时间内完成，因为反应液s-BuLi滴加过程需要额外的时间，如果滴加速度过快可能会导致温度的快速升高，从而加速活性中间体2的分解。

在微反应器系统将温度进一步提高至-48℃，在较高的温度下反应会以较高的反应速率进行。因此，反应有望在更短的停留时间内完成。如下图可知，在较短的停留时间内，随着停留时间的增加，起始原料1的量迅速减少，产物3的量迅速增加。在达到最大产率约60%后，产物3的用量随着停留时间的增加而减少。产物3的量逐渐减少，表明活性中间体2在反应器中已经分解，我们可以认为在较高温度下化合物2的生成与分解是不可完全分离的。而在-78℃的较低温度条件下，环氧乙烷基锂化合物2的生成和分解是完全可分离的，即化合物2开始分解之前，原料1几乎完全转化为化合物2。因此，在微反应连续流系统中，需要特别关注的是温度和停留时间的控制，以使反应选择性地进行，获得高产量的目标产品。