微反应器在有机催化中的应用

微反应器在有机催化中的应用导师:徐杰研究员报告人:盛学斌2020/7/9SeminarⅡ内容：1.微反应器技术简介2.微反应器在有机催化中的应用3.结论和展望1、微反应器技术简介1.1微反应器的发展1.2微反应器的种类1.3微反应器的加工方法1.4微反应器的特点1.5微反应器的优点1.1微反应器发展微反应器最早是用于催化剂评价和动力学研究的小型管式反应器，其直径约为10mm。微全分析系统微全分析设备只有2-3cm3大，内含在塑料、玻璃和硅片上蚀刻的彼此连接的微通道(截面尺寸50-200μm)，是微反应器的最早雏形。1996年，微反应器开始用于化学反应Lerous和ehrfeld阐述微反应器的原理和优势，吸引了各个领域的科学家进行深入研究，形式多样的微反应器层出不穷，微反应器开始成为化工新突破点。1.2微反应器的种类一、间歇式微反应器反相胶束微反应器聚合物微反应器固体模板微反应器微条纹反应器微聚合反应器二、连续式微反应器•气固相催化微反应器•液液相微反应器•气液相微反应器•气液固三相催化微反应器1.2微反应器的种类微反应器的加工方法单晶硅各向异性湿式刻蚀法低压等离子体或离子束干式刻蚀法LIGA法注模法玻璃的湿式化学刻蚀法机械精加工技术各向同性湿式化学腐蚀法微电火花加工激光微机械加工微连接技术1.3微反应器的加工方法1.4微反应器的特点几何特性传热特性传质特性宏观流动特性小体积、微通道、高比表面比表面可达26000m2/m3近似平推流模型、基本无返混流体反复分割，可在毫秒内完全混合高传热系数，高出普通换热器一个数量级以上1.5微反应器的优点缩短实验到生产的周期对反应温度的精确控制对反应时间的精确控制物料以精确配比瞬间混合结构保证安全性良好的可操作性2微反应器在有机催化中的应用2.1微反应器可以提高催化剂效率2.2精确的温度控制，保证安全性2.3精确的时间控制，快速中止反应2.4精确的物料配比,快速混合2.5电极微反应器，提高转化率2.1微反应器可以提高催化剂效率实例1：酶催化氧化Heule,M.;Rezwan,K.;Cavalli,L.;Gauckler,L.J.Adv.Mater.2003,15,1191.转化率提高到3-5倍OHOMeOOHOHOMeOOHOHOMeOHOHorseradishPeroxidaseH2O22.1微反应器提高催化剂效率实例2：催化胺的还原Franckevicius,V.;Knudsen,K.R.;Ladlow,M.;Longbottom,D.A.;Ley,S.V.Synlett2006,889.间歇反应釜中完全转化需要3天，微反应器中只需要3.5小时。NCbzNHNNNPd/C(10%),H2EtOAc/AcOH/EtOHNHNNNHN2.2精确的温度控制，保证安全性Panke,G.;Schwalbe,T.;Stirner,W.;Taghavi-Moghadam,S.;Wille,G.Synthesis2003,2827.实例1：硝化NNHOOHNO3，H2SO490oCNNHOO100oC-CO2NNDirsiredProductByproductO2NO2N常规反应器中10小时，收率75%；微反应器中35分钟，收率73%。2.3精确的时间控制，快速中止反应实例1：催化不饱和烃的还原Kobayashi,J.;Mori,Y.;Kobayashi,S.Adv.Synth.Catal.2005,347,1889.Kobayashi,J.;Mori,Y.;Okamoto,K.;Akiyama,R.;Ueno,M.;Kitamori,T.;Kobayashi,S.Science.2004,304,1305.Kobayashi,J.;Mori,Y.;Kobayashi,S.Chem.Commun.2005,2567PhPhPdMicrochannel,H2THF,2sOBnPdMicrochannel,H2scCO2,50oC,2sOBn2.3精确的时间控制，快速中止反应实例2：正离子催化的聚合反应Nagaki,A.;Kawamura,K.;Suga,S.;Ando,T.;Sawamoto,M.;Yoshida,J.J.Am.Chem.Soc.2004,126,14702.微反应器中反应0.5秒，所得聚合产物PDI为1.14-1.40，而间歇反应器中产物PDI为2.25-2.56。实例1：催化酮的氧化Mikami,K.;Islam,N.;Yamanaka,M.;Itoh,Y.;Shinoda,M.;Kudo,K.TetrahedronLett.2004,45,3681.间歇反应器中，53%的收率，产物比67:33而微反应器中，100%的收率，产物比97：3OSc[N(SO2C8F17)2]330%H2O2,PhCF3OOOO2.4精确的物料配比，快速混合2.4精确的物料配比，快速混合实例2：Friedel-Crafts烷基化反应Amandi,R.;Licence,P.;Ross,S.K.;Aaltonen,O.;Poliakoff,M.Org.ProcessRes.Dev.2005,9,451.常规反应器中单取代选择性70%；微反应器单取代选择性达到90%.OCH3n-propanolscCO2,cat.OCH3OCH3OCH3*n(n=2,3)2.5电极微反应器，提高转化率实例1：碳-碳偶联反应普通反应器中转化率10%，还需要过量的碱;微而反应器中反应25分钟，转化率68%.Greenway,G.M.;Haswell,S.J.;Morgan,D.O.;Skelton,V.;Styring,P.Sens.Actuators.B2000,B63,153.B(OH)2BrCNCN1.8%Pd/SiO275%THFaq200V/25minNikbin,N.;Watts,P.Org.ProcessRes.Dev.2004,8,942.OEtNCOCHOBrOEtNCOBr90%conversion9.5minCH3CN,400VRTNNH2.5电极微反应器，提高转化率实例2：缩合反应2.6适合用微反应器的反应放热剧烈的反应反应物或产物不稳定的反应对反应物配比要求很严的快速反应危险化学反应以及高温高压反应均匀纳米颗粒形成反应或聚合反应3结论和展望科学家们研究开发微反应器的最终目标是开发取代细胞功能的微技术，以建立更高效、更节能、更清洁的无污染的新一代化学工艺将微反应器技术应用于某些有机催化反应中：可以提高催化剂效率、解决传质传热问题、提高反应效率催化剂的设计和防失活微反应器的耦合设计微反应器的监测与控制微通道堵塞及腐蚀问题参考文献：1.Yoswathananont,N.;Nitta,K.,etal.Chem.Commun.2005,40.2.Heule,M.;Rezwan,K.,etal.J.Adv.Mater.2003,15,1191.3.Franckevicius,V.;Knudsen,K.R.,etal.Synlett2006,889.4.Panke,G.;Schwalbe,T.,etal.Synthesis2003,2827.5.Mikami,K.;Islam,N.,etal.TetrahedronLett.2004,45,3681.6.Kobayashi,J.;Mori,Y.,etal.Adv.Synth.Catal.2005,347,1889.7.Kobayashi,J.;Mori,Y.,etal.Science2004,304,1305.8.Kobayashi,J.;Mori,Y.,etal.Chem.Commun.2005,25679.Mikami,K.;Islam,N.,etal.TetrahedronLett.2004,45,3681.10.Nagaki,A.;Kawamura,K.,etal.J.Am.Chem.Soc.2004,126,14702.11.K.Yube,M.Furutaetal,CatalysisToday,2007,125,56.12.Amandi,R.;Licence,P.,etal.Org.ProcessRes.Dev.2005,9,451.13.Greenway,G.M.;Haswell,S.J.,etal.Sens.Actuators,B2000,B63,153.14.Nikbin,N.;Watts,P.Org.ProcessRes.Dev.2004,8,942.15.Paul,W.;Charlotte,W.,Chem.Commun.2007,443.16.Batoul,A.O.;Johan,C.B.;et.al.,Org.Biomol.Chem.,2007,5,733.谢谢大家！