双氧水氧化丙烯酸合成乙醛酸的连续流工艺研究

刘建武，严生虎，张 跃

（1.常州大学制药与生命科学学院，江苏 常州 213164；2.石油和化工行业连续流技术工程实验室，江苏 常州 213164）

乙醛酸又名甲酰甲酸，由于其兼具醛和酸的性质，可与很多化合物发生缩合或成环缩合反应。工业上常用于合成香兰素、胶囊素、对羟基苯甘氨酸、对羟基苯乙酸等医药及医药中间体，用途非常广泛，具有很高的实用价值[1,2]。

目前乙醛酸的生产方法主要有乙二醛氧化法[3]、草酸电解还原法[4]、乙醇酸选择氧化法[5]、次氯酸钠氧化法[6]、顺丁烯二酸干臭氧化法[7]和丙烯酸氧化法[8]等，其中乙二醛氧化法和草酸电解还原法均已经实现工业化生产，但是乙二醛氧化法存在溶剂损耗较大、设备易腐蚀、原料利用率低、产品质量较差、环境污染严重等缺点；草酸电解还原法存在设备空时收率较低、产品中含有大量难以分离的草酸等缺陷；乙醇酸选择性氧化法的不足在于合成成本较高，该工艺有待获得关键性的高选择性催化剂；次氯酸钠氧化法反应条件温和，但反应产物分离困难，原料价格高，产品收率和品质都不理想；丙烯酸氧化法存在双氧水浓度分布难以控制、反应过程容易“飞温”，操作繁琐危险，反应时间长，过程中同时副产等摩尔量的甲酸，催化剂制备较复杂。目前工业化生产乙醛酸的反应器均为搅拌反应釜，反应体系中往往存在液-液非均相传质障碍，常常需要加入大量溶剂使体系均相化，同时溶剂的加入也加重了乙醛酸产物的后续分离提纯负担，而且乙醛酸反应需要在液体底物与固体催化剂有充分接触下才能发生，釜式反应难以实现理想的液-液相间传质，且反应效率低，物料返混严重，反应时间长[8]。另外，液相氧化反应中双氧水极易分解，释放出氧气和大量的反应热，使反应物、溶剂大量蒸发，与氧形成爆炸性的混合有机蒸汽，无法满足工业化生产中对温度精确控制的工艺需要，存在控温效果差、“飞温”风险高、安全性差、活性氧溢出量大、物料蒸汽爆炸性危险高等突出问题[9]。

利用连续流微通道反应技术进行丙烯酸液相氧化连续化合生成乙醛酸产品，可多方面解决已有工艺技术存在的诸多不足，是对常规釜式搅拌反应器中氧化工艺的突破。微通道反应器具有反应空间狭小与比表面积巨大的结构特性，可以强化传质与传热，精确控制反应温度，防止“飞温”以及副产物的产生，同时微通道反应器持液量小，停留时间短，强传质、传热效果等特点，避免原料双氧水在反应器中积聚，提高丙烯酸氧化反应的安全性[10,11]。

本文作者设计开发出以丙烯酸为底物，H2O2为氧化剂，V2O5为催化剂，在具有特殊微结构的金属通道反应器内经双氧水液相氧化生成乙醛酸产品。考察了物料物质的量比、催化剂种类、催化剂用量、双氧水浓度、反应温度、停留时间对氧化反应的影响。采用完全连续化方式进行，实现了氧化过程的全程自动控制，避免了间歇反应中物料浓度低、溶剂量大、原料利用率低的缺陷，有效避免了过度氧化，提高了乙醛酸的选择性；同时通过精确控制温度和停留时间，有效防止酸性条件下的双氧水过度分解，减少氧气的积聚，防止“飞温”，提高了反应装置的安全性，反应效率也显著提升。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

丙烯酸：化学纯，国药集团化学试剂有限公司；乙酸、双氧水：分析纯，上海申博化工有限公司；五氧化二钒、氯化铜：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；七水合硫酸亚铁：分析纯，宜兴市第二化学试剂厂；氯化钯：分析纯，萨恩化学技术（上海）有限公司；水合硫酸铬、醋酸钴：分析纯，阿拉丁化学试剂（上海）有限公司；磷酸：MOS级，天津市化学试剂三厂。

液相色谱仪：CXTH型，北京创新通恒科技有限公司；超高精度便携式计量泵：HYM-PO-B2-NS-08型，日本FUJI-Techno Industries公司；delta隔膜计量泵：德国Prominent公司；质量流量控制器：Mini CORI-Flow型，荷兰Bronkhorst公司；加热冷却控制系统：LENYA型，无锡冠亚恒温冷却科技公司；低温恒温槽：DC-3030型，上海横平仪器仪表厂；管道及阀门：PFA（1/8英寸），美国Swagelok公司。

IFR金属微通道反应器采用模块化设计，由若干具有全混流特征的微型脉冲结构单元串联组成（图1）。微通道模块由管程和壳程组成，物料经计量泵在管程区域内预热、混合并反应，壳程区域内的热传导介质控制微通道内物料温度，换热系数为2000 kW/(m2·K)，反应器比表面积3000 m2/m3。 热传导介质经换热器控温，并在壳程与换热器之间形成闭路循环流动。微通道反应器系统通过组合反应模块、连接件、物料输送装置，可同时实现流体与管壁充分接触进行有效的热交换，实现混合与换热的集成。

图1 IFR金属微通道反应器模块结构示意图

1.2 实验过程

实验按照图2工艺流程搭建装置。在室温下，将原料丙烯酸、催化剂和溶剂按一定比例混合，在不断搅拌下配成丙烯酸的混合溶液，和双氧水作为反应物料，经计量泵分别进入微通道反应器中的预热模块进行预热，预热温度由外部换热器进行控制。通过计量泵控制物料的流量，使预热后的物料同步进入不同通道结构的微通道反应器模块内进行混合和反应。反应过程完成后，产物从微通道反应器的出口流出，进入一个密闭压力容器内收集反应料液，放入冰水中淬灭冷却，经过滤分离、蒸馏得到乙醛酸，通过HPLC分析各组分含量。

图2 丙烯酸氧化连续流工艺流程图

1.3 反应机理

丙烯酸与双氧水氧化反应机理见图3。

图3 丙烯酸与双氧水氧化反应机理

双氧水氧化丙烯酸反应中，催化剂V2O5先与双氧水反应生成VO5-(A)，A与带有供电子基取代的双键进行环加成，生成中间体B，然后B分解生成醛基以及VO3-。最后VO3-被双氧水氧化生成VO5-，循环参与反应[12,13]。

1.4 分析方法

采用高效液相色谱法进行定量分析，条件为：4.6 mm×250 mm C18柱；检测波长210 nm；流动相：pH 2.7磷酸水溶液；柱温25℃；流速0.5 mL/min；进样量10 μL。

2 结果与讨论

在微通道反应器中进行了双氧水氧化丙烯酸的连续式实验，考察了物料的物质的量比、催化剂种类、催化剂用量、双氧水质量分数、反应温度、停留时间对氧化反应的影响。

2.1 物料配比的影响

工艺条件：n(V2O5):n(C3H4O2)=0.04:1.00，w(H2O2)=35%，反应温度60℃，停留时间7.5 min，考察不同物料物质的量比对反应的影响，结果见图4。

图4 物料物质的量比对反应的影响

由图4可以看出，随着双氧水量的增加，丙烯酸的转化率逐渐增加，随后趋于平缓，而乙醛酸的选择性则呈现先增大后减小的趋势。当n(H2O2):n(C3H4O2)=3.10时，乙醛酸的收率最高。随着氧化剂用量的增加，双氧水浓度相对于丙烯酸浓度会逐渐增加，因此丙烯酸被氧化的概率提高，丙烯酸的转化率升高；但当双氧水用量过多时，由于体系内乙醛酸浓度逐渐增大，因此与双氧水发生氧化反应的概率也增大，导致乙醛酸被深度氧化，转化率下降。

2.2 催化剂种类的影响

工艺条件：n(H2O2):n(C3H4O2)=3.20:1.00，w(H2O2)=35%，反应温度60℃，停留时间7.5 min，考察不同催化剂对反应的影响，结果见图5。

图5 不同催化剂对反应的影响

由图5可以看出，在本文考察的六种催化剂中，虽然氯化钯的催化效果比较好，但是价格昂贵，所以结合经济效益，V2O5的催化效果最佳，丙烯酸的转化率达到86.5%，乙醛酸选择性达到77.2%。钴、铁、铬、铜、钒均为过渡周期中的变价金属，变价金属化合物的催化活性取决于其自身的氧化-还原电位差的大小，高价离子趋于被还原，低价离子趋于被氧化。双氧水氧化丙烯酸是一个自由基反应，在反应过程中会不断发生氧化-还原反应以及电子交换。钒离子的氧化还原电位较高，这也就决定了其催化活性的优势。因此本实验选用V2O5作为催化剂。

2.3 催化剂用量的影响

工艺条件：n(H2O2):n(C3H4O2)=3.20:1.00，w(H2O2)=35%，反应温度60℃，停留时间7.5 min，考察催化剂用量对反应的影响，结果见图6。

图6 催化剂用量对反应的影响

由图6可以看出，随着V2O5用量的增加，丙烯酸的转化率逐渐增加，随后趋于平缓，乙醛酸的选择性则呈现先上升后下降的趋势。双氧水氧化丙烯酸反应主要依赖于催化剂的催化作用，过渡周期变价金属的变价反应可以促进氧化反应的进行，V2O5作为催化剂在反应过程中起到非常关键的作用，初始状态的V5+被氧化为V9+，然后与丙烯酸进行环加成，所以V2O5的用量与丙烯酸的转化率呈正相关。但是过量的V2O5会与体系中的乙醛酸发生副反应，导致选择性下降。

2.4 双氧水质量分数的影响

工艺条件：V2O5为催化剂，n(H2O2):n(C3H4O2):n(V2O5)=3.20:1.00:0.04，反应温度60℃，停留时间7.5 min，考察了双氧水质量分数对反应的影响，结果见图7。

双氧水质量分数不但会影响反应速率，同时也会影响乙醛酸的选择性。由图7可以看出，随着双氧水质量分数的增加，丙烯酸转化率先增大后趋于平缓，乙醛酸选择性则先增大，当双氧水质量分数大于35%时，乙醛酸选择性降低。因为双氧水质量分数增加，使丙烯酸氧化速率加快，丙烯酸转化率增大。但随着反应的进行，体系中乙醛酸浓度不断增加，若继续增加双氧水的质量分数，也会加快乙醛酸被氧化的速率，导致乙醛酸选择性下降。因此当双氧水质量分数为35%时反应最佳，此时丙烯酸转化率为86.5%，乙醛酸选择性为77.2%。

图7 双氧水质量分数对反应的影响

2.5 反应温度的影响

工艺条件：V2O5为催化剂，n(H2O2):n(C3H4O2):n(V2O5)=3.20:1.00:0.04，w(H2O2)=35%，停留时间7.5 min，考察反应温度对反应的影响，结果见图8。

图8 反应温度对反应的影响

由图8可以看出，丙烯酸的转化率随温度的升高而升高，随后趋于平缓，乙醛酸的选择性则呈先升后降的趋势。 这是因为双氧水氧化丙烯酸反应需要一定的反应温度引发，温度越高，引发时间越短，因此升高温度有利于丙烯酸氧化反应的发生，丙烯酸转化率增大。微通道反应器依靠外部换热器的高效热交换系统，可以有效地控制通道内部温度的均匀分布，对氧化过程热量变化实时响应。乙醛酸的选择性先升后降，这是由于温度的升高有利于丙烯酸氧化生成乙醛酸，因此其选择性增大；但是温度过高乙醛酸会被过度氧化生成乙二酸，导致乙醛酸选择性下降。

2.6 停留时间的影响

工艺条件：V2O5为催化剂，n(H2O2):n(C3H4O2):n(V2O5)=3.20:1.00:0.04，w(H2O2)=35%，反应温度60℃，考察停留时间对反应的影响，结果见图9。

图9 停留时间对反应的影响

由图9可以看出，丙烯酸的转化率随停留时间的延长不断增加，随后趋于平缓，而乙醛酸的选择性则先升后降；当停留时间为7.5 min，乙醛酸选择性最大。随着停留时间的延长，VO5-自由基积累量增多，单位截面上丙烯酸与有效氧化物接触的时间延长，所以丙烯酸的转化率增大。同样的，随着停留时间的延长，反应生成的乙醛酸与氧化活性成分也有大概率接触，使得副反应增加，导致目标产物乙醛酸的选择性下降。

3 结论

（1）以丙烯酸为底物，H2O2为氧化剂，V2O5为催化剂，在具有特殊微结构的金属微通道反应器内经液相氧化生成乙醛酸。筛选出最佳工艺条件为：n(H2O2):n(C3H4O2):n(V2O5)=3.20:1.00:0.04，w(H2O2)=35%，反应温度60℃，反应时间7.5 min，此时丙烯酸转化率达93.4%，乙醛酸选择性高达89.4%。

（2）连续流微通道液相氧化解决了传统釜式反应存在操作繁琐、氧化过程易“飞温”、氧化深度难以控制、产品区域选择性低等缺点，通过精确控制温度和停留时间，实现了乙醛酸的高效安全生产。