文 献 综 述

20世纪90年代以来，自然科学与工程技术发展的一个重要趋势是向微型化迈进，特别是纳米材料以及微电子机械系统的发展，引起了研究者对小尺度和/或快速过程的极大兴趣。微型化工设备具有结构简单、无放大效应、操作条件易于控制和内在安全等优点，这引起了众多研究者的极大关注。一些研究成果表明，在微尺度条件下反应转化率、选择性均有明显的提高，传热系数和传质性能也得到了较大的提高。在微反应器中，随着线尺度的减少，一些物理量(温度、压力、浓度、密度等)的梯度很快增加，导致传质、传热推动力的增加，从而扩大了单位体积或者单位面积的扩散通量；同时，在微设备内，由于减少了流体厚度，比表面积增加了近10倍，因而传热效率较高，反应温度可以被控制地很精确；同时微反应器的较小的长度减少了运输限制，并且可以在更加精确地条件下进行反应，从而提高所需要产物的选择性和产率。

微反应器是过程强化的强有力的工具之一，过程强化是Ramshaw教授于19世纪70年代在ICI(Imperial Chemical Industries)上提出的，他认为可以通过减少设备的尺寸，从而减少资金和能源消耗和对环境的影响，以实现过程强化。伴随着设备尺寸的减少，原料转化率和安全性得到提高，对环境的影响也减小^[1]。由于投料量较少，以及微反应器的较高的传热和传质效率，因而微反应器很适合进行需使用易燃易爆、有毒试剂等危险反应^[3]，并且能更好的减少副产物的生成，获得最大的转化率和更好地利用能源^[2]。Roberge^[4]报道称在精细化学品和药物生产过程中，50%的反应可以通过使用微反应技术而使产率等参数得到提高，大约44%的反应在微反应器中进行得更好。同时我们可以通过增加微结构单元的数量来实现更高产量的获得，即使有反应器出现问题，连续操作依然不会被打断，其他反应器仍然可以继续生产。连续操作具有以下优点：简化操作、减少反应时间、过程精确控制、可重复性高、增强反应活性；危险的中间体可以直接转化为非危险化合物，此外还可以减少大反应器的使用。

现在关于微反应器的文献很多^[5]，很多研究者用微反应器进行高通量合成^[6]、多相化学合成^[7]、催化反应^[8]、涉及反应活性高和危险试剂的反应^[9]、电化学反应^[10]等。与常规反应器相比，微反应器的时空转换率明显提高。

2、微反应技术在合成中的应用

2.1 液相反应

微反应系统要求液相反应具有化学反应速率快、有副反应存在、需要较高的传质效率等特点，例如反应需要强放热或反应体系是多相体系等，这样传热或传质就会对反应有很大的影响。与气相微反应相比，液相微反应存在较高的技术风险，例如对于黏性流体，若要达到高通量，就需要较高的压差。并且液相反应的时间比较长，一般在几十秒到数小时。

2.1.1 硝化反应

由于硝化试剂易爆、具有腐蚀性，且硝化反应是放热反应，传质是反应的一个主要限制因素，因而微反应器比较适合进行硝化反应。先前的研究主要集中在萘的硝化反应^[11,12]；甲苯^[13]和苯^[14]及苯的衍生物^[15]的硝化反应。Antes等用N₂O₅作为硝化试剂，对萘的硝化反应进行了研究。在常规操作中，硝化反应需要低温；而在微反应器中温度可以达到50℃，并且N₂O₅的浓度可以达到8倍过量。Burns^[13] 和Ramshaw在不同的黏度(2-20cm/s)和温度(60℃和90℃)下对苯的硝化反应进行了研究。结果显示，与常规反应器相比，微反应器具有更高的转化速率。伴随着H₂SO₄浓度的增加，反应速率得到很大的提高，二硝基苯的含量也较少。而甲苯硝化时，二硝基甲苯的含量则得到了很大的提高。当H₂SO₄的浓度达到80%时，随着酸/有机相的比例的上升，二硝基甲苯的转化率得到了提高。

与现有的工业生产方法相比，在相同的反应速率下，微反应器产生的副产物更少(见表一)。