用于提高硝基苯硝化反应选择性和安全性的连续流微反应器系统

        间二硝基苯 (m-DNB) 是生产农药、染料和聚合引发剂的重要中间体。它通常通过在间歇式反应器中对硝基苯进行液-液非均相硝化反应合成，产物中约含有 15% 的副产物，包括邻二硝基苯 (o-DNB) 和对二硝基苯 (p-DNB)，如方案 1 所示。由于这些副产物市场需求有限且难以分离，通常会通过与亚硫酸钠反应溶解在水中，并在后处理过程中被丢弃，造成严重的浪费。将混合二硝基苯直接加氢生成混合二苯胺，然后通过蒸馏分离异构体，是一种原子经济性较高的途径。然而，由于对二苯胺和间二苯胺的沸点接近，蒸馏过程耗能巨大，需要大量的理论塔板数。因此，去除对二硝基苯可以提高目标产物间二硝基苯的产率，并降低蒸馏所需的能耗，使其成为硝基苯硝化反应领域的一个重要研究课题。

方案1. 硝基苯硝化制备二硝基苯

然而，硝化反应是一个高度放热的过程，每引入一个硝基会释放约 −73 至 −253 kJ mol⁻¹ 的能量。快速的反应速率常常导致传统间歇式反应器中出现热点，造成局部过度硝化、选择性降低以及形成危险的氧化副产物，从而可能带来严重的后果。微反应器在处理非均相体系方面具有显著优势。它们能够实现快速混合、高效传热、精确控制反应条件并提高安全性。自 Burns 和 Ramshaw 首次将微反应器应用于苯的硝化反应以来，许多研究探索了微反应器在芳香族化合物硝化反应中的应用，例如异丙苯、三氟甲氧基苯、1-甲基-4-(甲基磺酰基)苯 和 3-氟苯并三氟化物。Zhao 等人研究了微反应器中硝基苯的硝化反应。最大流速和间二硝基苯的产率分别限制在 981.75 μL/min 和 80%，这对于工业应用来说太低了。

芳香族化合物的选择性硝化是一种提高目标硝化产物比例的有效策略。常用的方法包括改变反应条件或引入催化剂和混合酸体系，例如固体酸、超声波、沸石分子筛或表面活性剂。例如，Rahaman 等人证明了在25 °C、高浓度硫酸条件下可以实现硝基苯的选择性硝化，有效抑制了对二硝基苯的生成。然而，反应温度的微小升高会显著提高对二硝基苯异构体的选择性。

本研究致力于开发一种结合微反应器的连续流系统，以实现硝基苯硝化反应的超低对位选择性。通过基于PID算法的精确进料控制，确保了反应条件的稳定性。通过优化反应参数并使用阴离子表面活性剂作为催化剂，所提出的系统展现出巨大的工业化应用潜力。此外，研究还探讨了硝化过程中硝基酚的生成途径，结果表明，增强传质过程显著降低了最终产品中有害硝基酚副产物的含量。

实验设备的示意图概述。

该研究提出了一种集成微混合器的连续流微反应器系统，以提高硝化过程的选择性和安全性。我们开发了一个开源的 Python 程序，用于精确控制硝基苯与混酸的质量流量比。通过优化反应条件并使用十二烷基硫酸钠 (SDS) 作为表面活性剂，我们将对位二硝基苯的选择性降至最低，仅为 0.44%，同时将有害的硝基苯酚副产物含量降低至 112 ppm，与传统间歇式工艺中观察到的 509 ppm 相比，这是一个显著的改进。与传统间歇式反应器相比，该微反应器系统显著降低了对位二硝基苯的选择性，并最大限度地减少了硝基苯酚和三硝基苯的生成，突显了其在工业规模应用中的适用性。

Continuous-Flow Microreactor System for Enhanced Selectivity and Safety in Nitrobenzene Nitration（2025）

https://doi.org/10.1021/acsomega.5c00377