实验室的筛选、优化“高手”——Labtrix系列AMR®微反应器

实验室的筛选、优化“高手”——Labtrix系列AMR^®微反应器

   随着现代化工行业的不断发展和进步，传统的间隙式化工已逐渐不能满足现代化工行业的持续性、绿色化工的诉求。 

微反应器技术又称为微化工技术，是现代化工技术一个极其重要的发展方向。同传统化工技术相同，微反应器技术也使用反应器、混合器、换热器等单元组件，但是与传统化工装置相比，微反应装置的流体通道尺寸通常在10~3000μm之间，比表面积通常在10000~50000m²/m³，可实现反应物料的瞬间混合，且可实现对反应温度的精确控制。利用微化工技术，可以对传统工艺进行改进，实现对反应过程的精确控制，或较高的反应收率和选择性，实现反应过程的连续化和自动化，且小试工艺的最佳条件可直接用于工业化生产，无放大效应，进而大大缩短了工艺研发周期，在新产品开发并及时抢占市场先机中起到不可替代的作用。

微化工技术发展的早期，微反应器主要用于工艺条件优化、催化剂筛选、反应动力学测定等，尤其是在工艺筛选方面，表现出卓越的优势，已成为一种高效的筛选技术。当今，微反应器技术被誉为21世纪能给化工生产方式带来革命性变革的一项技术，是解决化工生产面临的低效率、高能耗、产品质量不稳定、资源浪费等难题最有效的技术途径之一，特别是在节能降耗、提高反应本质安全等方面，具有传统反应器所无法比拟的优势。

由荷兰ChemtrixB.V. 公司生产的Labtrix系列AMR^®微反应器可实现手动控制和自动控制两种模式，如下图1所示：

图1 Labtrix 系列手动和自动化连续流微反应器（左侧：Start；右侧：S1）

由于其反应体积小至微升级别，可执行-15到195℃，压力高达20bar条件下的化学反应，使用50mg的原料即可获得100个数据点（如反应动力学数据的提取等），在一天的时间中，可执行10-100个单一的实验（如催化剂的筛选、不稳定中间体的合成等）。

微波技术在药物化学应用广泛，实验室经常用来做热反应的筛选工作，但是规模化生产却很难而且很耗能源。而利用微反应器处理反应可以很容易达到微波处理的高压和高温条件，同时还具有一下几点优势：

1、溶剂的使用不需要由反应温度来决定

2、充分利用热量，反应时间的精确控制

3、低沸点溶剂可以被采用，减少后处理过程

4、反应可放大

为了对此进行验证，Moseley教授利用Lantrix S1连续流微反应器执行了下属醚化反应，苯酚和二氯硝基苯作为反应原料（反应原理如下图2所示），并将数据与文献报道中的数据做了相应的比较，在相同温度下，微反应器的醚化效果优于微波反应，详细如下图3所示。
图2 醚化反应原理图

图3 微波反应和连续流微反应效果对比图

  同时，如果使用低沸点乙腈作为溶剂时，在195℃条件下反应，其反应时间将缩短为微波反应的1/10，同时产物二芳基乙醚的产率高达99.7%，产量达到109mg/h。

Wiles博士利用Labtrix系列反应器具有快速混合、极好的温度控制条件，使用其快速获取反应过程数据。使用的反应如下图4所示：

在24小时内，Wiles博士通过执行200多个反应，对反应整个过程的每个变量进行了统计，并快速的绘制反应的动力学曲线如下图所示，以确定此反应的反应级数及速率常数。

参考文献：

[1] J. D. Moseley, Org. Biomol. Chem., 2010, 8, 2219-2227.

[2] C. Wiles and P. Watts, Beilstein J. Org. Chem., 2011.