連續(xù)流微化工技術(shù)推動(dòng)了含氟化學(xué)品合成的可持續(xù)發(fā)展。

摘要：精細(xì)化工行業(yè)的上游產(chǎn)業(yè)主要是基礎(chǔ)化工行業(yè)，包含無(wú)機(jī)化工原料和有機(jī)化工原料;中游包含化學(xué)中間體和化工制劑兩大細(xì)分領(lǐng)域，前者包含精細(xì)化學(xué)品和專(zhuān)用化學(xué)品，后者包含精細(xì)化學(xué)品制劑和專(zhuān)用化學(xué)品制劑;下游應(yīng)用場(chǎng)景主要包含醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料和日化等應(yīng)用市場(chǎng)。對(duì)于精細(xì)化工產(chǎn)品合成來(lái)說(shuō)安全，綠色，高效，智能是可持續(xù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和難點(diǎn)，特別是國(guó)家應(yīng)急管理部給出的18種危險(xiǎn)化學(xué)化工工藝中典型的氧化反應(yīng)，氟化反應(yīng)，硝化反應(yīng)，過(guò)氧化反應(yīng)，重氮化，加氫反應(yīng)為代表的行業(yè)現(xiàn)狀面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，存在著效率低，安全隱患大等一些列問(wèn)題。

這些類(lèi)危險(xiǎn)化工工藝的應(yīng)用比較廣泛，跟活性高高含能化學(xué)品，與國(guó)防安全，生命醫(yī)藥和高端先進(jìn)材料密切相關(guān)。那現(xiàn)在工藝落后，裝備龐大，管理不善，安全隱患嚴(yán)重，所以限制了它的可持續(xù)發(fā)展，繼續(xù)開(kāi)發(fā)本質(zhì)安全更高效的新技術(shù)，微化工技術(shù)被評(píng)價(jià)為可實(shí)現(xiàn)化工過(guò)程高效和安全的變革性技術(shù)。以微結(jié)構(gòu)裝備為核心的化工系統(tǒng)，通過(guò)微米級(jí)的混合，分散尺度強(qiáng)化傳遞與反應(yīng)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)化學(xué)品的連續(xù)化生產(chǎn)，提高產(chǎn)物收率和選擇性，具有本質(zhì)安全的屬性，是化工過(guò)程強(qiáng)化的重要方法。連續(xù)流反應(yīng)器器是一種基于微流控技術(shù)的化學(xué)反應(yīng)設(shè)備，其在精細(xì)化工領(lǐng)域的應(yīng)用日益受到關(guān)注。連續(xù)流反應(yīng)器器通過(guò)微尺度下的精確控制和高效傳熱傳質(zhì)，為精細(xì)化工產(chǎn)品合成提供了高效、安全、環(huán)保的解決方案。本文將對(duì)連續(xù)流反應(yīng)器在精細(xì)化工含氟產(chǎn)品方向的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)介紹。國(guó)家安全監(jiān)管總局公布的《重點(diǎn)監(jiān)管危險(xiǎn)化工工藝目錄（2013年完整版）》中，將氟化工藝作為典型工藝，對(duì)其工藝危險(xiǎn)特點(diǎn)、重點(diǎn)監(jiān)控工藝參數(shù)及安全控制要求作了重點(diǎn)介紹。氟化工藝是一個(gè)高?；どa(chǎn)工藝，存在劇毒、易燃易爆、設(shè)備腐蝕等安全隱患。氟化反應(yīng)是一個(gè)放熱反應(yīng)，一般都在較高溫度下進(jìn)行氟化，反應(yīng)劇烈，速度快，熱量變化較大。1.氟化工藝概述1.1氟化反應(yīng)定義氟化是化合物的分子中引入氟原子的反應(yīng)，涉及氟化反應(yīng)的工藝過(guò)程為氟化工藝。氟化劑通常為氟氣、鹵族化合物、惰性元素氟化物、高價(jià)金屬氟化物、氟化氫、氟化鉀等。典型的氟化工藝有：

(1)直接氟化直接氟化是指氟氣與其他物質(zhì)直接反應(yīng)生成氟化物的反應(yīng)。氟與有機(jī)化合物作用是強(qiáng)放熱反應(yīng)，放出大量的熱可使反應(yīng)物分子結(jié)構(gòu)遭到破壞，甚至著火爆炸。為使反應(yīng)緩和，常采取降低反應(yīng)溫度，用惰性氣體（如氮?dú)?、二氧化碳、氦氣等）稀釋氟氣，用惰性溶劑稀釋反?yīng)底物等措施，并采用導(dǎo)熱好的反應(yīng)裝置。

(2)金屬氟化物或氟化氫氣體氟化直接氟化法目前在工業(yè)上已不普遍使用，而是改用高價(jià)金屬氟化物作氟化劑氟化。它的主要優(yōu)點(diǎn)是，生成每個(gè)C-F鍵所釋放的熱量為192.6KJ/mol，遠(yuǎn)比直接氟化放出的熱量要小，而后者是431.2KJ/mol，因而收率要高的多。實(shí)際應(yīng)用的金屬氟化物有兩種，即AgF₂和CoF₃。進(jìn)行氟化反應(yīng)的過(guò)程是讓氟在升溫下通過(guò)裝有AgF和CoF₂的床層使反應(yīng)生成高價(jià)氟化物，然后將需要氟化的原料在150～300℃以蒸汽態(tài)與氮?dú)饬饕煌ㄈ敕磻?yīng)器中。反應(yīng)完成后，再通F₂使CoF₂再生。因此反應(yīng)實(shí)際上是半連續(xù)的。(3)置換氟化置換氟化是一種廣泛采用的氟化方法，容易被置換的順序是I＞Br＞Cl。最常用的氟化劑是堿金屬氟化物，HF是一種相對(duì)來(lái)說(shuō)不活潑的氟化劑，只能置換活潑鹵原子。1.2工藝危險(xiǎn)特點(diǎn)(1)反應(yīng)物料具有燃爆危險(xiǎn)性；(2)氟化反應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)，不及時(shí)排出反應(yīng)熱量，易導(dǎo)致超溫超壓，引發(fā)設(shè)備爆炸事故；

(3)多數(shù)氟化劑具有強(qiáng)腐蝕性、劇毒，在生產(chǎn)、貯存、運(yùn)輸、使用等過(guò)程中，容易因泄露、操作不當(dāng)、誤接觸以及其他意外而造成危險(xiǎn)。1.3重點(diǎn)監(jiān)控工藝參數(shù)氟化反應(yīng)釜內(nèi)溫度、壓力；氟化反應(yīng)釜內(nèi)攪拌速率；氟化物流量；助劑流量；反應(yīng)物的配料比；氟化物濃度。1.4安全控制的基本要求反應(yīng)釜內(nèi)溫度和壓力與反應(yīng)進(jìn)料、緊急冷卻系統(tǒng)的報(bào)警和聯(lián)鎖；攪拌的穩(wěn)定控制系統(tǒng)；安全泄放系統(tǒng)；可燃和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警裝置等。1.5連續(xù)流反應(yīng)器器的特點(diǎn)（1）微尺度環(huán)境:連續(xù)流反應(yīng)器器的通道尺寸通常在微米級(jí)別，這使得反應(yīng)物在極短的時(shí)間內(nèi)完成混合和反應(yīng)，大大提高了反應(yīng)速率。（2）精確控制:通過(guò)精確控制反應(yīng)物的流速、溫度和光照等條件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)過(guò)程的精確控制，從而得到高質(zhì)量的產(chǎn)品。(3)高效傳熱傳質(zhì):連續(xù)流反應(yīng)器器具有優(yōu)異的傳熱傳質(zhì)性能，能夠快速達(dá)到反應(yīng)所需的溫度和濃度，提高了反應(yīng)效率。

(4)安全性高:微尺度下的反應(yīng)能夠減少副反應(yīng)的發(fā)生，從而降低安全風(fēng)險(xiǎn)。2.1苯酚連續(xù)氟化現(xiàn)有氟化苯酚的工業(yè)生產(chǎn)工藝主要是采用對(duì)胺基苯酚鹽酸進(jìn)行重氮化、再氟代的方法，采用這種方法生產(chǎn)時(shí)的產(chǎn)品收率低，產(chǎn)生大量廢水，污染嚴(yán)重，成本高；另外一種生產(chǎn)工藝是采用氯化硝基苯，經(jīng)氯原子氟代反應(yīng)，再將硝基還原成胺基，胺基重氮化水解成氟代苯酚，采用這種方法時(shí)需要經(jīng)過(guò)多步反應(yīng)，總收率低，同時(shí)過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生很多廢水。采用微通道反應(yīng)器，以氟氣作為氟化試劑，在乙腈等溶劑中對(duì)苯酚進(jìn)行氟化，只需要一步反應(yīng)就能得到產(chǎn)物。碳化硅微通道反應(yīng)器可用于氟化反應(yīng)，能有效控制氟化反應(yīng)放出的大量熱量，提高生產(chǎn)安全性。由于微通道反應(yīng)器中停留的化學(xué)品量總是很少，即使各種危險(xiǎn)化學(xué)品或工藝條件操作失控，危害程度也非常有限，因此微通道反應(yīng)器可順利將氟化反應(yīng)由間歇釜式工藝轉(zhuǎn)化為連續(xù)工藝，提高產(chǎn)品的選擇性。2.2連續(xù)流微通道反應(yīng)合成2，2-二氟乙醇二氟乙醇是一種重要的脂肪族含氟有機(jī)合成中間體，可以參與多種有機(jī)合成反應(yīng)中，廣泛用于生產(chǎn)殺蟲(chóng)劑和除草劑等。目前二氟乙醇可以用以下方法制得第一種合成方法中以二氟乙酸或者二氟乙酸乙酯為原料，硼氫化鈉等作為還原劑；缺點(diǎn)是還原劑價(jià)格昂貴、產(chǎn)物分離困難、環(huán)境不友好等，不符合現(xiàn)代化化工要求。催化加氫還原法合成方法需要高壓反應(yīng)設(shè)備，生產(chǎn)條件苛刻，缺點(diǎn)是有很大的安全隱患。堿性酯化合成方法反應(yīng)步驟多、時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致總收率降低。在連續(xù)流微通道反應(yīng)器中，分子間擴(kuò)散距離短，微通道的比表面積大，尺寸的微型化強(qiáng)化了設(shè)備的傳熱、傳質(zhì)過(guò)程，無(wú)放大效應(yīng)，所以微通道反應(yīng)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的反應(yīng)釜生產(chǎn)2,2-二氟乙醇，可以克服傳統(tǒng)工藝中的缺點(diǎn)，比原有的傳統(tǒng)工藝耗時(shí)短，得到的產(chǎn)物純度高、雜質(zhì)含量少。在生產(chǎn)過(guò)程中，由于傳統(tǒng)釜式自身存在的一些缺陷使得人工操作不便，且在反應(yīng)過(guò)程中揮發(fā)的HF會(huì)對(duì)身體造成危害，而用微通道反應(yīng)器在反應(yīng)過(guò)程中操作簡(jiǎn)便，更加環(huán)保。2.3連續(xù)流微通道反應(yīng)合成2-氟代乙酰乙酸乙酯反應(yīng)母液乙酰乙酸乙酯（48mg/min，20 mmoL）用高壓柱塞泵連續(xù)注入連續(xù)流反應(yīng)器，硝酸銅3H₂O（9.12mg/min，2.0 mmoL）和乙腈（50mL）溶液分別通過(guò)兩臺(tái)泵連續(xù)輸入反應(yīng)器內(nèi)部進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)溫度大約35~40℃。用氮?dú)獯祾呷萜?，然后將用氮?dú)庀♂屩?0％v/v的氟以16mmoL/min的流速與母液完成氣液混合，緊接著進(jìn)入SiC、PTFE材質(zhì)微通道反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，并用二氯甲烷萃取。GC分析，轉(zhuǎn)化率100％，收率78％。反應(yīng)為氣液兩相反應(yīng)。連續(xù)化的思路：2.4微通道中R23資源化轉(zhuǎn)化合成R14的連續(xù)工藝三氟甲烷（CHF₃，R23）是二氟一氯甲烷及四氟乙烯生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的一種不可避免的副產(chǎn)，而且CHF3是溫室效應(yīng)第二高的溫室氣體，GWP值是CO₂的14800倍，僅次于SF₆。目前，三氟甲烷的處理方式主要是采用高溫焚燒（1200℃）進(jìn)行，但是這樣的方法消耗大量的能源，不經(jīng)濟(jì)。若能將三氟甲烷資源化利用將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和能量效益。四氟化碳（R14）是目前微電子工業(yè)中用量最大的等離子蝕刻氣體，具有廣闊的發(fā)展?jié)摿?。目前工業(yè)上主要利用氫氟甲烷、氟氯甲烷、碳和氟氣直接氟化合成CF₄，但該氟化反應(yīng)劇烈放熱，難以控制，有爆炸的危險(xiǎn)，并且對(duì)設(shè)備要求高，產(chǎn)物復(fù)雜，收率低等缺點(diǎn)。連續(xù)流微通道反應(yīng)技術(shù)具有換熱效率和混合效率高、無(wú)放大效應(yīng)、高度集成化、精確控制反應(yīng)時(shí)間、安全性高、過(guò)程綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。氟氣氟化CHF₃反應(yīng)屬于強(qiáng)放熱反應(yīng)，將微通道反應(yīng)器與氟氣氟化CHF3工藝相結(jié)合，將反應(yīng)的熱量及時(shí)轉(zhuǎn)移，反應(yīng)條件溫和，副產(chǎn)物少，提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物選擇性，同時(shí)能耗低，能夠自動(dòng)連續(xù)化生產(chǎn)，也增強(qiáng)了反應(yīng)的操作安全性。非氟氣氟化試劑2.5連續(xù)流微化工技術(shù)用非氟化氟化試劑合成含氟化學(xué)品

Thestartingmaterial(2.20g9mmol)in15mLofDCMwascooledto-20°C,thenEt2NSF3(2.47mL,18.7 mmol) was added. After1minutes, the cooling bath was removed, and the mixture was stirred overnight.NaHCO3solution was added slowly to the mixture andthemixture was extracted with dichloromethane (3X).Thecombined organicsweredriedwithNa2SO4and purified with flash chromatography (10percent ethyl ACETATE/HEXANE) to provide the difluoroester (1.81 g, 91percent).

DAST將醇轉(zhuǎn)化成為相應(yīng)氟化物的反應(yīng)一般情況下在非常溫和的條件下進(jìn)行。通常在–78℃下加料來(lái)抑制最初的放熱過(guò)程，反應(yīng)條件比較苛刻，此條件下的穩(wěn)定性較差。微化工連續(xù)流技術(shù)完全可以密閉條件下-10℃下完成高效氟化過(guò)程。

3.結(jié)論微通道的比表面積大，尺寸的微型化強(qiáng)化了設(shè)備的傳熱、傳質(zhì)過(guò)程，提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物選擇性，可及時(shí)移出反應(yīng)放出的熱量，反應(yīng)條件溫和，且能夠自動(dòng)連續(xù)化生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)的安全性。