绿色合成工艺

背景介绍三乙膦酸铝是一种有机磷类高效、广谱、内吸性低毒杀菌剂，可防治由单轴霉属、霜霉属、疫霉属引起各种病害的果树、蔬菜、花卉及经济作物。该药市场需求量较大。据文献及专利报道，合成三乙膦酸铝原药的方法是以三氯化磷、乙醇为原料，经酯化反应制得亚磷酸二乙酯（简称DEP）。DEP和氨水通过胺化反应生成亚磷酸二乙基铵盐，然后与硫酸铝进行复分解反应得到。目前市场报道产品总收率最高为95%，含量为98%。传统釜式工艺，具有诸多问题：【危险】由于酯化反应放热剧烈，易造成局部过热或系统飞温现象，存在反应失控风险；【杂质】在有水、强酸性及温度高的条件下，随着反应时间的延长，DEP极易分解，副产物多；【耗时】胺化反应工艺目前多采用滴加过量的氨水或DEP的间歇式生产方式，其造成原料的浪费且反应时间长达9h以上；【三废】原料的不充分反应造成三废排放量大，给环保处理造成困难，亦不利于绿色清洁化生产。以康宁反应器为代表的连续流微通道反应器，通过对传质与传热过程进行强化，大幅缩短了反应时间，提高了反应效率。同时显著提高了体系温度和浓度的均一性及可控性，极大缓解了局部过热或反应物浓度过大的问题，降低了副反应的发生，提升反应的本质安全性。本篇文章将为您介绍研究者重点利用康宁反应器技术在传质和传热方面的优势，开发出的条件温和、反应高效、转化率高、适宜工业化生产的绿色合成3步新工艺。研究过程一. 三乙膦酸铝的3步合成工艺图1.三乙膦酸铝合成路线连续流微通道反应器中合成中间体1图2. 中间体1的合成过程图【编者语】康宁反应器较釜式反应器具有百倍的传质提升和千倍的传热提升，反应物反应完全，并且可以快速将反应生成中间体1移出反应体系，极大降低其分解产生副产物的可能性。 2. 连续流微通道反应器中合成中间体2图3. 中间体2的合成过程图【编者语】康宁反应器可以实现对物料的精准控制，结合高效传质和传热特性，反应物可按照最佳反应比例实现高效反应，大大提高反应转化率的同时减少物料的浪费及三废的产生。 3. 三乙膦酸铝产品的合成向中间体2中滴加浓硫酸调节pH至5.5，加入0.17mol硫酸铝，于80℃保温反应1 h，降温至20℃以下抽滤，滤饼淋洗、干燥后得三乙膦酸铝为117.6g，纯度为98.8%，产品总收率为98.5%，较釜式提高3.5个百分点。二. 连续流工艺优化1. 反应停留时间的优化1.1 中间体1反应停留时间的优化A、B泵流速比设置为1:2，分别泵入微通道反应器进行反应，反应温度设为20℃，停留时间分别设为2、4、6、8、10 s，研究停留时间对中间体1含量的影响。图4. 停留时间对中间体1含量的影响从图4可以看出，在微通道反应器中，三氯化磷和无水乙醇的反应速率大幅提高，数秒内即可完成反应。随着反应停留时间的延长，中间体1的含量逐渐降低。优选反应停留时间为2s。1.2中间体2反应停留时间的优化C、D泵流速比设置为1:1.06，分别泵入微通道反应器进行反应，反应温度设为50℃，停留时间分别设为2、5、10、15、20 s，研究停留时间对中间体2转化率的影响。图5. 停留时间对中间体2含量的影响从图5可以看出，在微通道反应器中，中间体2在10s时转化率即可达到100%，合成时间从6～9 h缩短至秒级单位内，从生产效率和能耗角度考虑，中间体2的合成优选反应停留时间为10s。2. 反应温度的优化分别采用的1.1和1.2微通道反应系统和优化的反应停留时间，研究了反应温度对中间体1含量和中间体2转化率的影响。最终中间体1优选反应温度为20℃，中间体2选择反应温度为35℃。研究结果采用连续流微反应技术，在反应温度为20℃，反应停留时间2s时合成中间体1；反应温度为35℃，反应停留时间10s时合成中间体2，经复分解反应得到三乙膦酸铝，产品纯度和收率均达到98%以上。该连续流工艺与传统釜式工艺相比，速度更快，转化率更高，显著降低了副反应的发生，同时提升了安全性，符合绿色化工的发展方向。康宁反应器无缝放大的技术优势，有助于帮助企业快速实现工业化生产，减少中试的时间和资金成本。欢迎您关注“康宁反应器技术”公众号，了解连续流工艺开发及工业化实施详情！参考文献：现代农药 2021年第20卷第5期,17-18页

助力绿色化工工艺技术革新，Sanotac与微反应器并驾齐驱-----记2017全国绿色化工工艺技术研讨会 中国化工企业管理协会、江苏省化学化工学会于 2017 年3月 26日-3月 28 日在南京师范大学仙林校区举办了“2017全国绿色化工工艺技术暨资源综合利用创新研讨会”。上海三为科学仪器有限公司作为会议的协办单位，会上展示了微通道反应器专用的PTFE平流泵，哈氏合金平流泵，主要用于配套微反应器使用，公司平流泵产品引起参加会议的各位专家老师的强烈兴趣。 本次大会的主讲嘉宾和会议内容简单介绍： 金涌，工程院院士，清华大学化学工程系教授，绿色发展中的化工产业； 管国峰，南京工业大学教授，反应精馏过程研究与工程案例； 张志炳，南京大学教授，微界面传质强化反应器研究； 周珏民，东南大学教授，生物废弃物综合利用制生物柴油； 顾正桂，南京师范大学教授，反应与分离集成技术开发与应用研究； 大连微凯化学公司，微流体技术-绿色安全化工生产应用； 山东豪迈化工公司，绿色化工连续化生产-从基础研发到工业应用； 康宁上海公司，成就绿色化工的新武器-高通量微通道反应器技术； 吴有庭，南京大学化学化工学院教授，离子液体设计与不同酸性气体的选择性分离策略； 李群生，北京化工大学教授，吸附结晶法生产碳酸锂的研究与应用； 金艳，华东理工大学博士，结晶分盐技术在废水零排放上的应用； 王彦飞，天津科技大学教授，煤化工高盐废水分质分盐研究； 汤志刚，清华大学化学工程系副教授，O2捕集溶剂吸收-膜解吸收新流程。 与会嘉宾和老师，在150多个座位座无虚席。 高通量-微通道反应器技术是近10多年来发展起来的一种本质安全技术， 微反应器技术已成为化工领域技术创新的亮点和热点，已经引起了医药，农药，精细化工，特种化工研发和生产部门的广泛重视。如何更好地利用这一新的技术为本企业带来新的机遇已成为众多企业家新的追逐目标。反应器能够助您: 缩短反应时间，改善目标产品纯度，提高产品收率和选择性，降低生产总成本，减少环境影响，提高操作安全，减少人员需求等。 Sanotac平流泵覆盖了316L不锈钢、PEEK材料、PTFE聚四氟乙烯，钛金属，哈氏合金材料等供您选择。除了流路材料的改变，低脉冲，高精度的性能一切都没有改变，但是我们又改变了一切。 由于SANOTAC系列高压恒流平流泵用于微反应器中微流体的输送，使得微通道反应器性能更出色，如虎添翼，更能发挥微通道反应器的魔力，发挥微通道反应器高效，本质安全、智能制造的新技术优势，打造美丽化工的未来。 碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、耐化学腐蚀，山东豪迈化工根据碳化硅材料的特性制造了碳化硅微通道反应器，就需要配套四氟PTFE进料泵，这样才更能发挥微反应器的神力。 那么，“微反应”是否与工业大生产相对应，只能生产微量或少量的产品呢？“事实并非如此，微反应器中可以包含有成百上千的微通道，从而通过‘数量放大’实现高产量，国内外都已经有万吨级的工业装置在运行，而且微反应器的种类更是包含了大化工反应中所有的单元设备，混合器、换热器、反应器和控制器等一应俱全。”骆广生表示。 大连化物所开发的微通道反应技术已实现8万吨/年磷酸二氢铵生产的工业运行；清华大学化学工程联合国家重点实验室成功开发出万吨级膜分散微结构反应器制备单分散纳米碳酸钙和15万吨/年的湿法磷酸净化的工业装置；大连理工大学在用微反应技术解决染料合成上间歇反应存在中的产率低、品质差、批次色差大等问题上，也取得了许多进展。 与此同时，国内也有一批化工科技企业积极地投入到微反应技术的开发应用中，上海康宁、大连微凯，贵州微化以及山东豪迈化工技术公司等开始在微反应器设计及技术工艺开发上发力，并已经将微反应技术成功地应用到了硝化反应、过氧化物、苯肼类化合物、磷化工产品、无机纳米材料等产品的合成上，取得了可喜的工业化进展。 三为科学Sanotac，作为化工流体输送解决方案的领导者，微通道反应器专用平流泵供应商，以助力各种微通道反应器，打造绿色智能化工为己任，我们将不断努力，助力绿色化工工艺技术革新，与微反应器技术并驾齐驱。

人类文明发展史中，科学水平的提升速度与人类生存环境的健康问题永远是相互缠绕的矛盾话题。然而科学发展是永远不可能停滞不前的，化学作为自然科学中最实用的科学手段，其研究内容遍布材料、能源、环保、生命科学等各个领域，在社会文明发展与人类日常生活中发挥着极其重要的作用。化学领域中的化学合成是化学工艺中最重要的组成部分，化学合成的登台极大地提高了国民生活水平，但同时传统合成工艺过程给环境和人类健康带来了极大的挑战。合成实验室的发展也即将随着时代需求的提升而蜕变升华——绿色化学将是有机合成未来的着陆方向！绿色化学又称环境无害化学（environmentally benign chemistry)、环境友好化学(environmentally friendly chemistry)、清洁化学(clean chemistry)，即减少或消除危险物质的使用和产生的化学产品和工艺的设计。绿色化学可减少或杜绝有害物质的使用或产生，最大限度地减少或消除化学原料、试剂、溶剂和产品的危害，从源头上减少污染，贯穿化学产品的整个生命周期，包括设计、制造、使用和最终处置。绿色化学与污染形成后进行处理（也称为修复）不同，从一开始就阻止了有害物质的产生，这不仅可从根本上减少化学合成过程中给环境带来的直接或间接污染，还可以避免接触工艺的操作人员受到健康危害，从而大大提高环境和人员的双重安全保障。因此，合成实验室向绿色化学方向发展是不可阻挡的趋势。世界上很多国家已把“化学的绿色化”作为新世纪化学进展的主要方向之一。美国环保局定期举办绿色化学评选，对于 2022 年的评选，有一个新类别是表彰可以防止或减少温室气体排放的绿色化学技术。那如何提高化合物筛选效率，节能减排，提高产率？如何找到最优的连续反应条件，实现流动化学？如何减少反应时间，提高反应效率，使难反应的体系获得产物？如何在这些化学合成过程中实现绿色化学呢？莱伯泰科合成实验室设备解决方案已走在了绿色化学的前端，为客户解决了从基础合成加热装置，搅拌装置，到分离浓缩纯化全方位的产品。此外，微波合成仪和高通量反应平台，具有节省反应时间，提高反应效率，实现固态合成和节约原料，高通量筛选工艺，多条件平行反应，流动化学反应等特点，是实现碳中和、绿色化学的利器。部分详细解决方案如下所列：一、高通量反应平台有机合成主要是合成天然界已经有的但数量很少的或者天然界没有的物质。其中很重要一个领域就是药物合成。合成药物大大扩充了市场上的药品储备量，解决了药品来源不足、成本较高和环境资源破坏的问题。通过改变有机物的内部结构的方式合成新药物能针对性的“对症下药”，有机化学药物合成为人类生存生活提供了更健康的生活保障。新药研发过程需要大量的合成反应筛选活性化合物，因此高通量反应平台应运而生。LabTech高通量反应平台该设备可以用于多种应用，如：1、合成反应筛选：通过平行测试开发新的化合物， 在一台设备上提供 10 种单独的反应器，设置不同的温度曲线。同时可以配置气体保护，磁力搅拌等附件。2、溶解度测试：对不同溶剂和温度下的药物化合物质量控制，优化合成放大过程的反应参数，同时集成浊度测量。3、化合物晶型研究：可实现高通量的10种不同的温度曲线，自动控制饱和温度，优化化合物晶体生长。优势：① 该设备选用半导体制冷和加热，使用了高能效的精密部件，实现急速加热和降温，保证合成反应高效进行。② 可视化方法编辑，通过USB将操作曲线导入和导出，并且对接LIMS系统，实现数据电子化。③ 实时参数显示，一目了然，尽收眼底。高通量反应平台大大提高了化合物筛选、合成的效率，是高通量合成实验室的必备法宝。高通量反应平台使用较小的反应体系，节省溶剂和材料消耗，连续反应配置可以实现流动化学合成，为绿色化学提供了实用工具。二、微波合成微波是由电场与磁场组成的电磁波，电磁能辐射是以粒子或波的形式由原子内部从高能状态向低能状态的跃迁而发出的。低能电磁辐射，如微波（MW）、无线电、TV，都是以长波形式出现。微波是指频率为300 MHz～300 GHz、波长在1 mm～1 m之间的电磁波。微波合成技术已经在化学工业中得到了较为广泛的应用，微波合成可分为无机合成与有机合成。在无机合成方面，微波主要用于烧结、燃烧合成和水热合成。Milestone公司自1988年开始生产微波化学平台至今已有30年历史。其开创了高压微波化学的时代，并不断地把新技术引进微波化学领域。Milestone公司良好的产品和服务帮助客户解决在样品前处理领域所遇到的复杂问题与挑战，成为当今世界上著名的微波化学产品供应商。莱伯泰科提供自由灵活的多种功能组合：莱伯泰科微波合成优势： 微波大腔积，保证安全缓冲空间，同时可以容纳多达1.5L的液体反应体积和2.7L固体反应体积。 强大的微波功率，双磁控管总功率1900W。 良好的微波均匀性，楔形微波散射器技术，保证了微波的均匀性。 符合CFR21 Part11的，友好交互控制软件，内置存储多种控制方法曲线，可与LIMS连接上传数据。微波合成的应用文章：1.《电化学专业杂志Electrochimica Aca》的一篇题为《类富勒烯金属硫族化物的超快微波纳米制造》 https://www.nature.com/articles/srep22503，由太原理工大学罗居杰老师和奥本大学的张新宇教授合作发表应用固态微波法成功制备了一种高性能的NiO/MnO2@graphite电极材料。张新宇教授应用纳米结构的导电聚合物为先驱体，在空气，无溶剂的条件下，快速（3-5分钟）成功地制备了纳米碳材料(Zhang et al, Chem. Comm. 2006, 2477)。随后，该课题组又对碳纳米管的生长机制做了进一步研究，提出了一种全新的碳纳米管制备方法：Poptube Approach (Liu et al, Chem. Comm. 2011, 9912-9914)。并在接续的工作中，成功地把固态微波法延伸到制备金属氧化物/硫化物纳米复合材料领域。2016年，该课题组通过微波法合成了富勒烯状的金属硫族化合物 (Liu et al, Sci. Rep. 2016, 6， 22503)。2.青岛科技大学化学与分子工程学院，赖建平教授通过微波合成部分碳化的导电MOF负载Ru用于高效析氢反应Chem. Eng. J. (2021).https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133247。3.侯晓红教授在，国际学术期刊《Anal. Chim. Acta》，发表标题为“Facile in situ microwave synthesis of Fe3O4@MIL-100(Fe) exhibiting enhanced dual enzyme mimetic activities forcolorimetric glutathione sensing” DOI: 10.1016/j.aca.2021.338825通过微波辅助方法在20分钟内原位快速合成Fe3O4@MIL-100(Fe)纳米酶。4.安徽工业大学郑睿教授，发表在《金属功能材料》上的，《微波快速合成碲掺杂方钴矿及其性能研究》采用微波快速合成得到晶粒尺寸1-10μm，结构致密，晶粒均匀的样品。5.法国科学家Halima Sassi，微波合成法制备Al-Fe柱撑粘土催化剂《Wastewater treatment by catalytic wet air oxidation process over Al-Fepillared clays synthesized using microwave irradiation》Front. Environ. Sci. Eng. 2017, 12(1): 2。综上，微波合成在微波辅助水合阳离子反应、固相合成催化剂、金属配合物、电池等领域拥有非常广泛的前景。微波合成可加快反应速度，提高产率，节省能源和原料，实现绿色化学的目标。