間二硝基苯 (m-DNB) 是生產(chǎn)農(nóng)藥、染料和聚合引發(fā)劑的重要中間體。它通常通過在間歇式反應(yīng)器中對(duì)硝基苯進(jìn)行液-液非均相硝化反應(yīng)合成，產(chǎn)物中約含有 15% 的副產(chǎn)物，包括鄰二硝基苯 (o-DNB) 和對(duì)二硝基苯 (p-DNB)，如方案 1 所示。由于這些副產(chǎn)物市場(chǎng)需求有限且難以分離，通常會(huì)通過與亞硫酸鈉反應(yīng)溶解在水中，并在后處理過程中被丟棄，造成嚴(yán)重的浪費(fèi)。將混合二硝基苯直接加氫生成混合二苯胺，然后通過蒸餾分離異構(gòu)體，是一種原子經(jīng)濟(jì)性較高的途徑。然而，由于對(duì)二苯胺和間二苯胺的沸點(diǎn)接近，蒸餾過程耗能巨大，需要大量的理論塔板數(shù)。因此，去除對(duì)二硝基苯可以提高目標(biāo)產(chǎn)物間二硝基苯的產(chǎn)率，并降低蒸餾所需的能耗，使其成為硝基苯硝化反應(yīng)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究課題。

方案1. 硝基苯硝化制備二硝基苯

然而，硝化反應(yīng)是一個(gè)高度放熱的過程，每引入一個(gè)硝基會(huì)釋放約 ?73 至 ?253 kJ mol?1 的能量。快速的反應(yīng)速率常常導(dǎo)致傳統(tǒng)間歇式反應(yīng)器中出現(xiàn)熱點(diǎn)，造成局部過度硝化、選擇性降低以及形成危險(xiǎn)的氧化副產(chǎn)物，從而可能帶來嚴(yán)重的后果。微反應(yīng)器在處理非均相體系方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。它們能夠?qū)崿F(xiàn)快速混合、高效傳熱、精確控制反應(yīng)條件并提高安全性。自 Burns 和 Ramshaw 首次將微反應(yīng)器應(yīng)用于苯的硝化反應(yīng)以來，許多研究探索了微反應(yīng)器在芳香族化合物硝化反應(yīng)中的應(yīng)用，例如異丙苯、三氟甲氧基苯、1-甲基-4-(甲基磺酰基)苯 和 3-氟苯并三氟化物。Zhao 等人研究了微反應(yīng)器中硝基苯的硝化反應(yīng)。最大流速和間二硝基苯的產(chǎn)率分別限制在 981.75 μL/min 和 80%，這對(duì)于工業(yè)應(yīng)用來說太低了。

芳香族化合物的選擇性硝化是一種提高目標(biāo)硝化產(chǎn)物比例的有效策略。常用的方法包括改變反應(yīng)條件或引入催化劑和混合酸體系，例如固體酸、超聲波、沸石分子篩或表面活性劑。例如，Rahaman 等人證明了在25 °C、高濃度硫酸條件下可以實(shí)現(xiàn)硝基苯的選擇性硝化，有效抑制了對(duì)二硝基苯的生成。然而，反應(yīng)溫度的微小升高會(huì)顯著提高對(duì)二硝基苯異構(gòu)體的選擇性。

本研究致力于開發(fā)一種結(jié)合微反應(yīng)器的連續(xù)流系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)硝基苯硝化反應(yīng)的超低對(duì)位選擇性。通過基于PID算法的精確進(jìn)料控制，確保了反應(yīng)條件的穩(wěn)定性。通過優(yōu)化反應(yīng)參數(shù)并使用陰離子表面活性劑作為催化劑，所提出的系統(tǒng)展現(xiàn)出巨大的工業(yè)化應(yīng)用潛力。此外，研究還探討了硝化過程中硝基酚的生成途徑，結(jié)果表明，增強(qiáng)傳質(zhì)過程顯著降低了最終產(chǎn)品中有害硝基酚副產(chǎn)物的含量。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備的示意圖概述。

該研究提出了一種集成微混合器的連續(xù)流微反應(yīng)器系統(tǒng)，以提高硝化過程的選擇性和安全性。我們開發(fā)了一個(gè)開源的 Python 程序，用于精確控制硝基苯與混酸的質(zhì)量流量比。通過優(yōu)化反應(yīng)條件并使用十二烷基硫酸鈉 (SDS) 作為表面活性劑，我們將對(duì)位二硝基苯的選擇性降至最低，僅為 0.44%，同時(shí)將有害的硝基苯酚副產(chǎn)物含量降低至 112 ppm，與傳統(tǒng)間歇式工藝中觀察到的 509 ppm 相比，這是一個(gè)顯著的改進(jìn)。與傳統(tǒng)間歇式反應(yīng)器相比，該微反應(yīng)器系統(tǒng)顯著降低了對(duì)位二硝基苯的選擇性，并最大限度地減少了硝基苯酚和三硝基苯的生成，突顯了其在工業(yè)規(guī)模應(yīng)用中的適用性。

Continuous-Flow Microreactor System for Enhanced Selectivity and Safety in Nitrobenzene Nitration（2025）

https://doi.org/10.1021/acsomega.5c00377