欧世盛柱塞泵应用案例：流动体系中高选择性连续还原胺化合成伯胺

实验中用到多种试剂，其中底物涵盖苯甲醛、jiajiben甲醛、糠醛等芳香 / 脂肪醛酮及生物质衍生物；溶剂选用甲醇、乙醇等氨溶解度良好的有机溶剂，其中氨的乙醇、异丙醇和正丙醇溶液在实验室中自行配制。催化剂包括非贵金属催化剂Ni/Al2O3、Ni/SiO2，以及贵金属催化剂 Ru/C，均在实验室中制备。镍基催化剂粒径为 350-450μm。

实验装置：实验核心装置为微填充床反应器，搭配搅拌加热、混合、物料输送、T型微混合器、流速控制、温度控制（水浴）、背压调节等模块，形成连续流反应体系。其中，物料输送环节采用了欧世盛公司的柱塞泵，用于将反应物输送至填充床反应器。

反应流程：底物、氨溶液和甲醇按比例混合后在30℃下以 300 rpm 的搅拌速度加热 1小时生成亚胺。反应器经氮气吹扫并通入氢气至设定压力，达到反应温度后将反应物输送入系统，至少经过三倍液体停留时间后，填充层平台达到稳态后收集样品，实验结束后置换残留物并保存催化剂。液体停留时间通过反应器参数（内径、长度）、床层孔隙率、持液量及流速计算，确保反应条件的精准控制。

利用配备 FID 检测器和 RTX-5 毛细管柱的岛津气相色谱仪GC-2014分析产物，确定了甲醇、苯甲醛、苄胺等物质的保留时间及色谱检测参数。通过公式计算底物转化率与产物选择性，为反应效果的量化分析提供依据。

在还原胺化过程中，催化剂对产物分布影响显著。以往研究评估了多种金属催化剂（如铂、钯、铑、钌、镍、钴、铁、铜等）的性能，发现镍和钌催化剂通常能获得高收率的伯胺。除催化剂外，载体对金属分散度和颗粒内扩散有重要影响，进而影响转化率和选择性。

该实验评估了钌 / 碳、镍 / 氧化铝和镍 / 二氧化硅催化剂 / 载体组合对苯甲醛还原胺化的性能。Ru/C 催化剂活性不足，易生成二苄亚胺；Ni/Al2O3对副产物二苄亚胺选择性较高；Ni/SiO2表现优，可在相同条件下将二苄亚胺含量降至 0.3%，苄胺选择性达 99%，且能有效抑制苯甲醇、二苄胺等副产物生成。因此后续研究采用镍/二氧化硅催化剂。

溶剂：选择四种氨溶解度良好的有机溶剂进行研究。研究发现，甲醇作溶剂时苄胺选择性高（95.6%），而在其他溶剂中检测到更多的苯甲醇和二苄胺，正丙醇则易产生多种未知副产物，考虑到反应效率、成本及回收难易度，最终选定甲醇为最合适溶剂。

温度与氨醛比：较高的温度、较低的氨与苯甲醛摩尔比有利于提升苄胺选择性。实验在 40℃至 80℃的温度范围内进行，同时探究了氨醛比在 2 至 8.6（操作条件下的高氨醛比）范围内的影响。实验发现，在较低摩尔比（4:1）下，温度从 40℃升至 80℃时，苄胺选择性从 82.5% 迅速升至 99% 并保持稳定，而二苄亚胺则从 16.6% 逐渐降至 0.1%。考虑到回收成本，后续实验选择氨与苯甲醛的摩尔比为 4:1。

压力：采用了 0.5 MPa 至 2.5 MPa 的五个压力梯度。实验发现，压力对反应的影响不显著。在 0.5 MPa 下检测到 1.6% 的未鉴定物质，当反应压力高于 1.0 MPa 时，苄胺的选择性保持在 99%，表明压力不再是该反应的限制因素。因此，确定实验压力为 1 MPa。

底物浓度：底物采用了五种不同的质量浓度。随着浓度增加，苄胺的选择性从 92.3% 升至 99%，同时苯甲醇的选择性从 6.3% 降至 0.3%。由此可知，较高的氨和苯甲醛浓度有利于苄亚胺的生成。考虑到亚胺在较高浓度下易结晶堵塞管道，该反应体系选择 10 wt% 的质量浓度。

在 200 小时连续还原胺化过程中，转化率保持 100%，选择性维持 99%，表明催化剂稳定性良好。结果表明，2 克镍 / 二氧化硅催化剂在 200 小时连续还原胺化过程中可将约 190 克苯甲醛转化为产物。催化剂失活后，通过氨溶液（2 M 甲醇溶液）清洗可恢复活性，表明其具有良好的稳定性与再生性。经过三次氨清洗和 40 小时连续反应后，催化剂活性仍可恢复。

准确的反应动力学对于工艺优化和催化剂改进至关重要。在测量动力学参数之前，通过实验和计算确认传质限制可忽略不计。当液体表观流速高于 7 cm/min 时，外扩散影响被消除，因此动力学研究在液体表观流速高于 7 cm/min 的条件下进行。苯甲醛、氢气和氨的魏茨模数（分别为 0.68、0.30 和 0.36）表明颗粒内扩散也可忽略不计。

通过改变液体流速制备不同停留时间的样品，研究发现苯甲醛还原胺化存在独特反应路径：亚胺先转化为二苄亚胺，随后二苄亚胺转化为苄胺，且这两个反应是连续而非同时进行的。基于实验结果和以往研究，提出了苯甲醛还原胺化的反应路径，明确了亚胺到二苄亚胺再到苄胺的连续转化过程，并确定了相应的反应速率常数（k₁和k₄）。

实验观察到反应速率与压力无关，确定氢气的动力学级数为零级，而其他反应物的动力学级数仍按常规视为一级。确定不同温度下的反应速率常数、活化能与指前因子，决速步骤随氨浓度变化。

实验发现，该反应体系对芳香醛（jiajiben甲醛等）、脂肪醛（己醛等）、生物质衍生物糠醛适配性高，伯胺收率达 90%-99%；环己酮在 12 当量氨作用下可高效转化为对应伯胺，但苯乙酮反应难度极大，即使延长预处理时间并提高氨的摩尔比，最终产物中仍有大量醇类，仅获 75% 目标胺，这一问题仍有待进一步研究。

该研究构建了以Ni/SiO2为催化剂、微填充床反应器为核心的连续还原胺化体系。以苯甲醛为模板底物，与氨和氢气反应顺利转化为苄胺。结果表明，在 70℃、底物质量浓度 10 wt%、压力 1.0 MPa、氨与苯甲醛摩尔比 4:1、停留时间 3.5 min 的条件下，使用镍 / 二氧化硅催化剂可获得 99% 的苄胺收率。

此外，建立了该过程的动力学模型，并确定了相应的活化能和指前因子，阐明了决速步骤在不同氨添加量下可发生转换，这也解释了氨在还原胺化中的重要作用。

该体系对多数醛、酮及生物质衍生物具有良好的适用性，多种底物（包括芳香醛、脂肪醛、酮以及生物质衍生物糠醛）在该体系中均能获得令人满意的收率（90% 以上）。与釜式反应器相比，该连续流体系可在更温和的条件下稳定运行，对还原胺化过程表现出显著的效率优势。

该研究选用了非贵金属Ni/SiO2替代传统贵金属催化剂，降低了工业应用成本，且催化性能更优。工艺层面，实现了连续流还原胺化的工艺参数优化，在低氨添加量、短反应时间下获得高收率，解决了传统釜式反应器返混、传质差等问题。建立了苯甲醛还原胺化的动力学模型，明确了反应路径与决速步骤的调控规律，为同类反应的工艺设计提供理论支撑。

此外，该体系对于对生物质衍生物糠醛的高效转化，契合绿色化工发展趋势，其连续流工艺亦具备规模化工业应用潜力。

Fig. 1：还原胺化过程的实验装置和反应机理

Fig. 2：不同催化剂下苯甲醛连续还原胺化的转化率和选择性

Fig. 3：反应温度（a）和氨与苯甲醛摩尔比（b）的影响

Fig. 6：基于Ni/SiO2的苯甲醛还原胺化稳定性测试

Fig. 7：不同停留时间下苯甲醛还原胺化的产物组成

Table 1：不同溶剂中苯甲醛连续还原胺化的转化率和选择性

Table 2：苯甲醛还原胺化的动力学参数

Table 3：不同羰基化合物的还原胺化及性能比较