間二硝基苯 (m-DNB) 是生產農藥、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器中對硝基苯進行液-液非均相硝化反應合成，產物中約含有 15% 的副產物，包括鄰二硝基苯 (o-DNB) 和對二硝基苯 (p-DNB)，如方案 1 所示。由于這些副產物市場需求有限且難以分離，通常會通過與亞硫酸鈉反應溶解在水中，并在后處理過程中被丟棄，造成嚴重的浪費。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體，是一種原子經濟性較高的途徑。然而，由于對二苯胺和間二苯胺的沸點接近，蒸餾過程耗能巨大，需要大量的理論塔板數。因此，去除對二硝基苯可以提高目標產物間二硝基苯的產率，并降低蒸餾所需的能耗，使其成為硝基苯硝化反應領域的一個重要研究課題。

方案1. 硝基苯硝化制備二硝基苯

然而，硝化反應是一個高度放熱的過程，每引入一個硝基會釋放約 ?73 至 ?253 kJ mol?1 的能量?？焖俚姆磻俾食３е聜鹘y(tǒng)間歇式反應器中出現熱點，造成局部過度硝化、選擇性降低以及形成危險的氧化副產物，從而可能帶來嚴重的后果。微反應器在處理非均相體系方面具有顯著優(yōu)勢。它們能夠實現快速混合、高效傳熱、精確控制反應條件并提高安全性。自 Burns 和 Ramshaw 首次將微反應器應用于苯的硝化反應以來，許多研究探索了微反應器在芳香族化合物硝化反應中的應用，例如異丙苯、三氟甲氧基苯、1-甲基-4-(甲基磺?；?苯 和 3-氟苯并三氟化物。Zhao 等人研究了微反應器中硝基苯的硝化反應。最大流速和間二硝基苯的產率分別限制在 981.75 μL/min 和 80%，這對于工業(yè)應用來說太低了。

芳香族化合物的選擇性硝化是一種提高目標硝化產物比例的有效策略。常用的方法包括改變反應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現硝基苯的選擇性硝化，有效抑制了對二硝基苯的生成。然而，反應溫度的微小升高會顯著提高對二硝基苯異構體的選擇性。

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

實驗設備的示意圖概述。

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)了一個開源的 Python 程序，用于精確控制硝基苯與混酸的質量流量比。通過優(yōu)化反應條件并使用十二烷基硫酸鈉 (SDS) 作為表面活性劑，我們將對位二硝基苯的選擇性降至最低，僅為 0.44%，同時將有害的硝基苯酚副產物含量降低至 112 ppm，與傳統(tǒng)間歇式工藝中觀察到的 509 ppm 相比，這是一個顯著的改進。與傳統(tǒng)間歇式反應器相比，該微反應器系統(tǒng)顯著降低了對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