偶氮化合物的连续合成：效率与安全的双重提升

偶氮化合物（AZO）是一类以偶氮基（─N=N─）为核心结构的有机化合物，其通式为R─N=N─R’。偶氮基作为发色团，赋予化合物特殊的光学性质，使其成为染料、指示剂等领域的关键材料，超过60%的合成染料是偶氮化合物。芳香族偶氮化合物的共轭体系进一步增大，表现出更高的化学稳定性和热稳定性，良好的光学性能和溶解性，使得芳香偶氮化合物被广泛地应用于有机染料、生物医药、食品添加剂、自由基诱发剂、液晶材料及非线性光学材料等许多领域。

重氮偶联反应（Azo coupling reaction）是制备偶氮化合物的常用方法，包括两个步骤：在低温下重氮化芳香族伯胺；重氮盐正离子作为弱的亲电试剂与富电子芳香亲核试剂进行芳环上的亲电取代反应，生成偶氮化合物。

重氮偶联反应面临的问题

重氮偶联反应在传统批次生产模式中存在一些问题，如高能耗、长反应时间、相对较低的生产效率以及批次间的质量不稳定。

重氮偶联反应是一种放热反应，反应时释放大量的热量，使用釜式反应器时通常需要在快速搅拌和缓慢添加重氮盐溶液的情况下进行，以防止局部过热以及副产物的产生。

低效的传热传质会导致釜式反应器中不同位置的条件不均一，例如局部温度、局部pH值和局部反应物浓度等，导致不良结果和产物的颜色不合格。

偶氮化合物的合成过程中涉及重氮盐中间体，由于其潜在的爆炸性和不稳定性具有一定的安全风险，釜式反应器较大的持液体积进一步提高了危险性。

由于强放热和不稳定的中间体，批次生产的批量往往较小，使生产效率相对较低，不同批次的产品颜色和性质也可能产生显著差异。

连续流反应的破局之道

与间歇式反应器相比，使用连续流反应器有几个明显的好处，包括增强的热质传递、可重复性、可快速扩大规模和提高安全性。使用连续流反应器进行重氮偶联反应可以避免大量不稳定中间体的生成，同时保持高产率。

连续流反应器具有更高的传热和传质效率，通常是釜式反应器的数百倍，可以有效处理放热反应，移出反应热量，避免局部过热导致的副反应。

连续流系统能够更精确地控制反应参数，如温度、pH值和反应时间，平推流使物料在反应器内部无返混现象，从而提高反应的选择性和产率。

反应在较小的体积内进行，减少了不稳定中间体的积累，提高了操作安全性。

连续流系统可以强化反应条件，缩短反应时间，并通过并行扩展多个小型反应器来快速实现放大生产，提高生产效率，避免了传统批处理放大过程中常见的混合不均问题。

应用案例

早期研究中，Wootton等人于2002年报道在连续流中合成了几种偶氮染料，没有对反应条件进行优化导致产率不一，但展示了该方法的安全性。Wille等人比较了批处理放大与连续流系统的放大，发现连续流系统在保持颜料质量方面更具优势，体现在色调和色度并不会因为生产规模的放大而减弱。

Shukla等人在连续流系统中以92%和96%的高产合成偶氮染料苏丹一号和溶剂黄16。与相应的批次生产相比，连续模式将成本降低了4.69倍，将工厂占地面积降低了2.5~4.5倍，减少了40%的用水量。

华东理工大学辛忠教授及其团队通过四步连续反应来合成颜料红53，开发了一种多步骤连续集成生产系统，用于生成偶氮色淀颜料的重氮化—偶联—色淀—晶体转变过程，通过去除中间操作步骤避免了输送高度不溶性反应中间体的问题。经过工艺参数优化，在总停留时间80 s内，重氮化-偶联-固溶-晶型转变工艺合成颜料红53的总收率达到97.1%。

在初始研究中，HPLC证实所有染料在最终的着色反应中都已转化为色淀颜料，因此，只需优化前面的重氮化和偶联反应来提高总收率。采用三因素三水平正交试验设计，考察了反应时间、温度和pH值对偶联反应的影响，证明影响程度最大的是温度和pH值，停留时间对产率的影响不大，确定偶联反应的最佳条件为停留时间10 s，温度40 °C，pH 7.5。在此优化条件下，偶联反应总收率为93.5%，并通过三次重复实验验证了结果的稳定性。

该重氮化-偶联-色淀-晶型转变过程以连续流和间歇方式进行，以验证连续流系统的优势。发现在连续流系统中合成的产品纯度为98.2%，而分批合成的颜料产物只有97.1%的纯度，并且颜料颗粒的中值直径从14 μm（分批）减小到1.9 μm（连续）。

结语

连续流反应器在重氮偶联反应中的应用，不仅显著提高了反应效率和产物质量，还极大地增强了生产过程的安全性和可重复性。从早期的初步探索到如今的工艺优化，连续流技术在偶氮化合物合成中的优势已得到充分验证。未来，随着技术的进一步发展和应用的不断拓展，连续流反应有望在更多领域实现工业化生产，推动偶氮化合物及相关产业的可持续发展。连续