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H-FLOW全自动加氢反应仪在吡啶类化合物还原反应中的应用

 发布时间:2020-07-21 点击量:481

吡啶类化合物的还原产物都是重要的药物中间体,广泛用于制备局部麻醉药、止痛药、杀菌剂等,同时也是重要的化工原料。目前,制备哌啶衍生物的还原产物主要采用催化加氢的方式来实现。

 

吡啶类化合物的催化加氢过程通常都是在反应釜中进行的。相对于烯、醛等化合物,它们的加氢反应要困难得多,并且反应选择性较差,易于生成副产物。同其它含氮杂环化合物一样,由于吡啶的加氢产物哌啶与金属催化剂具有较强的配位作用,使得产物难以快速脱附,导致金属催化剂中毒而快速失活。芳环氢化主要分为均相催化加氢和非均相催化加氢,具有高活性的均相催化剂并不多见,并且这些均相催化剂不太稳定,难以从反应产物中分离出去,也不容易回收使用。目前常用的催化剂是雷尼镍催化剂,尽管它的价格相对便宜,但它的安全性较差,对反应条件的要求比较苛刻,需要在高温、高压下进行反应。

 

H-FLOW全自动加氢反应仪是基于流动化学加氢技术和微反应器技术而开发设计的,能够完美解决常规工艺遇到的问题。它的传质系数是传统反应釜的上百倍,大大缩短了反应时间,提高了反应效率。催化剂可以装填在反应柱内,原料流过催化剂后即反应完全,相对温和的反应条件延长了催化剂的使用寿命,减少了催化剂的更换,操作更加简便,过程更加安全。H-FLOW是实现吡啶类化合物还原反应工艺更为绿色、高效、安全的新设备。

 

反应案例1-吡啶类化合物的连续化加氢反应

吡啶类化合物在加氢反应中通常采用间歇式反应方式,由于吡啶环的芳香特性,这类化合物往往需要较高的H2压力,同时还需要提高温度和延长反应时间。研究者以吡啶-2-甲酸加氢生成2-哌啶甲酸为例,将间歇式反应条件与在微反应器内连续化加氢的反应条件进行比较。

在间歇式反应中,研究者们选用乙醇作溶剂,H2压力25 bar125℃下连续搅拌1 h才可以转化完,有时甚至需要微波进行辅助反应。由于微反应器具有较高的传质效率,反应时间大大缩短,反应条件变得更加温和。如图(a)所示,研究者选用水做溶剂,Pd/C做催化剂,反应物浓度0.1 M,液体流速0.5 mL/min,氢气压力1 bar80℃下进行反应,产率达到97%,与间歇式反应方式相比,它是一种更加高效安全的方式。

图(a)吡啶-2-甲酸在微反应器内的连续化加氢反应

 

微反应器内发生的反应还具有通用性。如表(1)所示,研究者使用微反应器对一系列吡啶类化合物进行了连续化加氢反应。他们选用醋酸做溶剂,因为质子化作用不仅能促进吡啶进行加氢反应,而且还抑制了产物对催化剂的毒害。原料浓度为0.05 M,液体流速0.5 mL/minH2压力为30-90 bar,反应温度为60-80℃,尝试了PdPtRh这几种不同的金属催化剂。研究者发现在微反应器内选取合适的反应条件后,它们的转化率都在99%以上。与间歇式反应方式相比,它能够实现反应条件的快速筛选,操作简单,大大减少了时间成本。不需要较强的反应条件就能获得较高的转化率,说明使用微反应进行反应具有本质的安全性。

 

表(1)吡啶类化合物在微反应器内的连续化加氢反应

 

反应案例2-常用中间体4-苯基哌啶的连续化加氢反应

 

4-苯基吡啶(4PhPy)及其衍生物是重要的有机合成中间体。如图(b)所示,4-苯基吡啶加氢会生成两种主要产物,分别是4-苯基哌啶(4PhPip)和4-环己基吡啶(4CyPy),他们会进一步加氢生成4-环己基哌啶(4CyPip)。因为这个反应较难发生,且反应产物较多,所以我们要选取合适的反应方式,要把控反应路径的选择。

 

 

图(b4-苯基吡啶的催化加氢反应路径

 

研究者比较了间歇式反应方式和在微反应器内的反应。如表(2)所示,首先在反应釜中进行筛选,选用乙酸乙酯作溶剂,原料浓度0.5 M,反应温度80℃H2压力30 bar,催化剂选用5 wt%RhPdRuPt这几种不同的金属。从表中看到,它们都需要长时间的反应,甚至达到了几十个小时。它们的转化率较低,都没有超过50%。目标产物4-苯基哌啶的选择性良好,但仍然有10%以上的其它副产物。

 

 

表(24-苯基吡啶在反应釜中的加氢反应

 

为了使4-苯基吡啶的加氢工艺顺利进行,研究者选择在微反应器内进行反应。他们使用乙酸乙酯作溶剂,原料浓度0.1 M,液体流速0.5 mL/min,反应温度110℃H2压力30 bar,气体流速26 mL/min10 wt%Pd/C作催化剂进行反应,最终4-苯基吡啶的转化率达到92%4-苯基哌啶的选择性达到93%

在微反应器内进行的反应都具有较高的传质效率,反应液从系统入口到出口,整个过程不超过10 min,大大缩短了反应时间。如图(c)所示,研究者又进行了长时间不间断的反应。连续运行120 min后,4-苯基吡啶的转化率在前60 min内下降了7%,然后在接下来时间内转化率保持不变,目标产物的选择性从93%少量增加到95%。由于在微反应器内采用的是平推流反应模式,产物能够快速的脱附并与催化剂分开,减少了吡啶和芳香族化合物对催化剂的毒害作用。

 

 

图(c4-苯基吡啶在微反应器内连续反应120 min的加氢反应

 

 

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实验总结

H-FLOW全自动加氢反应仪是更加智能便捷的微反应器系统,它能够使加氢反应更加安全、稳定。H-FLOW适用于各种吡啶类化合物的连续化加氢反应,我们将催化剂固定在反应柱内,可以快速地筛选条件,产物能够迅速的脱附,避免了对催化剂的毒害作用,减少了催化剂的更换和分离操作。它具有较高的传质效率,与间歇式反应器相比,它的反应条件更加温和,反应时间大大缩减,操作更加简单也更加安全。是实现吡啶类化合物还原反应工艺更为绿色、高效、安全的新设备。