氰基化合物選擇性催化氫化生產(chǎn)的伯胺廣泛用作基礎(chǔ)化學(xué)品，然而由于加氫機(jī)理的復(fù)雜性以及間歇反應(yīng)的傳質(zhì)效果不佳，過程中易于產(chǎn)生并非目標(biāo)的仲胺與叔胺作為副產(chǎn)物。

在本研究中，建立了一套以微填充床反應(yīng)器為基礎(chǔ)的連續(xù)流動氫化系統(tǒng)用于3-乙氨基bingqing的選擇性加氫合成N-乙基-1，3-丙二胺。結(jié)果:在使用Raney Cobalt作催化劑，最佳的實(shí)驗(yàn)條件下，實(shí)現(xiàn)了3-EAPN的轉(zhuǎn)化，并獲得了99.67%的高伯胺（3-EAPA）選擇性。

用其他不同結(jié)構(gòu)的氰基化合物對該系統(tǒng)進(jìn)行了加氫底物的拓展，選擇性均在99.3%以上，轉(zhuǎn)化率在99.1%以上。該以微填充床反應(yīng)器為基礎(chǔ)的連續(xù)流動氫化系統(tǒng)對腈加氫的普遍適用性。

對間歇式高壓釜反應(yīng)器(100 mL)和μPBR中的催化加氫性能進(jìn)行了比較，在微填充床反應(yīng)器中99.48%的選擇性高于間歇反應(yīng)器99.0%的選擇性。微填充床的時空收率523.3(g·L-1·h-1)相比反應(yīng)釜的時空收率53.5(g·L-1·h-1）提高近9倍（STY）。

有價值的胺的綠色合成與氫分子的選擇性還原密切相關(guān)，構(gòu)建C?N單鍵來生成胺也是合成化學(xué)和化學(xué)工業(yè)中最重要的目標(biāo)之一。有機(jī)胺化合物，尤其是伯胺，是廣泛應(yīng)用的大宗化學(xué)品，作為精細(xì)化學(xué)品應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、乳化劑及增塑劑的生產(chǎn)過程。目前合成伯胺的方法主要有以下幾種：如氰基化合物的還原，醇的直接胺化，羰基化合物的還原胺化等。

對于催化加氫反應(yīng)來說，催化劑自身性質(zhì)是決定性的因素。目前，用于氰基化合物加氫的催化劑主要被分為均相催化劑以及非均相催化劑兩類，其中均相催化劑常用到鈷，鎳、錳、鉬、鐵等非貴金屬的有機(jī)配合物作催化劑，但由于其難以分離，制備過程復(fù)雜的問題，基本無法用于工業(yè)生產(chǎn)。而非均相催化劑由于其可以重復(fù)利用，制備相對簡單等優(yōu)勢，一直是工業(yè)上氰基加氫的主要催化劑。非均相催化劑主要有骨架型（Raney Co、Raney Ni等）催化劑以及負(fù)載型催化劑，如Pd、Pt、Ru基負(fù)載催化劑等。其中鎳、鈷基等非貴金屬催化劑由于其相對低廉的價格受到研究者的關(guān)注。

目前，間歇式反應(yīng)器因其結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟，已廣泛應(yīng)用于精細(xì)化工和制藥行業(yè)。目前，由于氰催化加氫還原反應(yīng)器技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡單，業(yè)內(nèi)大部分氰催化加氫還原反應(yīng)仍采用反應(yīng)器間歇合成法。但其仍存在傳質(zhì)、傳熱過程差、返混嚴(yán)重、安全性差等問題。連續(xù)流加氫反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)是易于改變反應(yīng)參數(shù)、催化劑可循環(huán)使用、生產(chǎn)效率高等。此外，反應(yīng)物的連續(xù)引入可在較小的反應(yīng)空間、較清晰的溫度場和流場中進(jìn)行接觸反應(yīng)，并被連續(xù)地從反應(yīng)空間中排出，降低了副反應(yīng)的風(fēng)險。

隨著微反應(yīng)器和微流控技術(shù)的不斷發(fā)展，微反應(yīng)器在多相連續(xù)催化加氫過程中的應(yīng)用已成為目前研究的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)方法受限于氫氣擴(kuò)散到溶劑中的速率，而微反應(yīng)器則不同，它能提供更好的氣液接觸和傳質(zhì)增強(qiáng)，使氫氣在溶劑中迅速飽和，從而增強(qiáng)氣液催化劑的相互作用，顯著提高反應(yīng)速率和催化劑利用率。催化劑以各種形式被引入微反應(yīng)器，催化靜態(tài)混合器和微填料床反應(yīng)器和其他催化微反應(yīng)器也應(yīng)運(yùn)而生。和其他催化微反應(yīng)器在各種加氫反應(yīng)中表現(xiàn)出了反應(yīng)性能。微填充床反應(yīng)器的功能與傳統(tǒng)填充床反應(yīng)器類似，但其顆粒尺寸比傳統(tǒng)反應(yīng)器小幾個數(shù)量級。因此，除了高度湍流條件外，這些反應(yīng)器還具有非常高的比表面積，從而大大改善了其質(zhì)量和傳熱過程。這些是僅通過對催化劑的改性以及助劑的調(diào)控?zé)o法解決間歇反應(yīng)中選擇性差的問題。微反應(yīng)器目前主要用于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的開發(fā)，但可通過體積放大應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。

以往關(guān)于腈加氫的研究表明，該反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性主要受催化劑特性以及其他工藝條件（如溫度、H₂ 壓力和流速、液體空速、添加劑、底物濃度和溶劑）的影響。此外，反應(yīng)器的選擇也非常重要。在本研究中，我們建立了一個微填充床連續(xù)流氫化系統(tǒng)，用于 3-乙基氨基bingqing的催化加氫，并研究了不同催化劑、工藝參數(shù)和反應(yīng)器對轉(zhuǎn)化率和選擇性的影響。最后，我們擴(kuò)展了氫化底物，證明了連續(xù)流氫化系統(tǒng)的通用性和優(yōu)異性能。 

實(shí)驗(yàn)主要試劑

作為反應(yīng)物的3-乙氨基bingqing是在實(shí)驗(yàn)室中制得（AR，99%）未經(jīng)過任何純化。溶劑甲醇（AR，99%），乙醇（AR，99%），異丙醇（AR，99%），乙二醇（AR，99%）均由西隴科學(xué)股份有限公司處購買。使用的助劑NaOH（＞96%），KOH（＞85%），MeONa（30 wt% in MeOH）,Na₂CO₃（99.9%），NH₃（25%-28% in H₂O）由麥克林試劑處購得。氫氣（H₂，99.99%），氮?dú)猓∟₂，99.99%）由沈陽化工研究院提供。實(shí)驗(yàn)過程中使用的催化劑，鈀/碳顆粒催化劑（Pd/C，5 wt%），釕/碳顆粒催化劑（Ru/C，5 wt%），鎳/碳顆粒催化劑（Ni/C，20 wt%）以及雷尼鈷催化劑均是由沈陽化工研究院處獲得。粒徑平均400-500 μm的鉑/碳顆粒催化劑（Pt/C，5 wt%）是在實(shí)驗(yàn)室中制得。

 一般實(shí)驗(yàn)流程 

Figure 1. Schematic diagram of the synthesis device for 3-ethylaminopropylamine

圖1展示了在微填充床反應(yīng)器中對連續(xù)流氰加氫的實(shí)驗(yàn)方案。其中，氫氣由高純氫氣發(fā)生器（歐世盛（北京）科技有限公司）制得，與氮?dú)庖黄鹜ㄟ^連續(xù)流動加氫系統(tǒng)（H-Flow S10，歐世盛科技有限公司）的最大流速100 sccm的質(zhì)量流量控制器送入氣液微混合器。同時，反應(yīng)物溶液由連續(xù)流動加氫系統(tǒng)的柱塞泵（最大流量10.0 ml/min，最大泵頭壓力10 MPa）送入氣液微混合器。質(zhì)量流量控制器與柱塞泵均在連續(xù)流加氫系統(tǒng)中，與電腦的連續(xù)加氫系統(tǒng)連接并受軟件控制。為了防止質(zhì)量流量控制器被液體損害，在質(zhì)量流量控制器后裝有單向閥。氣液微混合器后連接的是微填充床反應(yīng)器，長約30 cm，內(nèi)徑約為5.39 mm。為了控制反應(yīng)溫度，氣體與液體在進(jìn)入微填充床反應(yīng)器之前就會通過預(yù)熱器（浸入油浴的加熱管線），通過溫度傳感器來精準(zhǔn)測定反應(yīng)的溫度。此后反應(yīng)液與多余的氣相會通過一段延時反應(yīng)器后進(jìn)入帶有氣體背壓閥的氣液分離系統(tǒng)，通過該閥門可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)的壓力。同樣地，背壓閥以及溫度控制系統(tǒng)也受電腦軟件控制。這些連接到電腦的裝置構(gòu)成了整個連續(xù)流動加氫系統(tǒng)。

在開始反應(yīng)前應(yīng)首先檢查系統(tǒng)的密封性，而后分別進(jìn)行氮?dú)馀c氫氣對系統(tǒng)的置換。設(shè)置好反應(yīng)系統(tǒng)所需的溫度以及壓力，待達(dá)到設(shè)定的溫度后，就可以向反應(yīng)器中送入反應(yīng)液以及氫氣開始連續(xù)加氫反應(yīng)。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行超過三倍的停留時間達(dá)到相對穩(wěn)定的狀態(tài)后，就可以對反應(yīng)液進(jìn)行取樣分析。

催化劑的篩選

在氰基氫化反應(yīng)中，催化劑本身的特性是影響反應(yīng)選擇性和轉(zhuǎn)化率的關(guān)鍵因素。如今，有多種催化劑可用于氰基氫化反應(yīng)，如基于鎳和鈷的非貴金屬催化劑，或基于貴金屬 Pd、Pt、Ru 的非均相催化劑，這些催化劑在qinghuawu氫化成胺的過程中發(fā)揮著作用。然而，在 3-EAPN 加氫反應(yīng)中，使用某些貴金屬催化劑得到的結(jié)果并不令人滿意。在此，我們選擇了對qinghuawu加氫反應(yīng)有效的 Ru/C、Raney Co、Pd/C、Ni/C 和自制的 Pt/C 等共 5 種催化劑進(jìn)行篩選。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表 1。

從表1可以看出，當(dāng)使用 Raney Co 作為催化劑時，反應(yīng)在 70 ℃ 時顯示出 100% 的高轉(zhuǎn)化率和驚人的 99.67% 的高伯胺選擇性，僅產(chǎn)生少量副產(chǎn)物，證實(shí)了其在 3-EAPN 加氫反應(yīng)中的優(yōu)異催化性能；然而，對于同為非貴金屬的鎳基催化劑中的 5% Ni/C，雖然在同樣的 70 ℃ 時伯胺選擇性達(dá)到 82.5%，但轉(zhuǎn)化率卻是五種催化劑中低的，僅為 8.01%。

在三種貴金屬催化劑中，Ru/C 催化劑最為有效。使用 Ru/C 催化劑時，即使在 70 ℃ 下也能實(shí)現(xiàn) 3-EAPN 的轉(zhuǎn)化，伯胺選擇性接近 90%。在相對較低的溫度下（50 ℃），3-EAPN 無法實(shí)現(xiàn)氫化。此時，Ru/C 催化劑獲得的 3-EAPN 轉(zhuǎn)化率高于 Raney Co 催化劑，而選擇性則降至 72%。此外，對于鈀基催化劑 Pd/C，當(dāng)溫度從 50 ℃ 升至 70 ℃ 時，轉(zhuǎn)化率略有提高（從 24.96% 升至 28.85%），但對伯胺的選擇性從 13.82% 降至 8.46%。通過對產(chǎn)物結(jié)果的分析，還可以看出在加氫過程中，Pd/C 產(chǎn)物的種類較多。而 Pt/C 催化劑在 70 ℃ 時的轉(zhuǎn)化率為 11.51%，伯胺選擇性為 39.16%，催化效果并不突出。因此，我們選擇 Raney Co 作為連續(xù)流氰氫化的催化劑實(shí)例進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

氫氣壓力的影響

氫氣壓力作為一個重要的實(shí)驗(yàn)變量，會影響溶液中的氫氣濃度，這與反應(yīng)速率有關(guān)，導(dǎo)致不同的反應(yīng)結(jié)果。此外，氫壓的變化也會影響液體的滯留量和相應(yīng)的液體停留時間。一般來說，H₂壓力的增高有利于其在反應(yīng)體系中的溶解，進(jìn)而影響反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率與選擇性。為此我們對氫氣的壓力對反應(yīng)性能的影響進(jìn)行了考察，下圖2展示了隨著H₂壓力從2.0~6.0MPa變化時，產(chǎn)品的組成變化?？梢钥闯觯涸谏鲜龅臍錃鈮毫Ψ秶拢孜?-EAPN均能夠轉(zhuǎn)化，選擇性隨著壓力的增大而增加，但到達(dá)4.0MPa后，再增大氫氣壓力，3-EAPA的選擇性提升很有限。從反應(yīng)系統(tǒng)的安全性以及成本來考慮，4.0MPa是較優(yōu)的壓力選擇。

反應(yīng)溫度的影響

溫度對大部分反應(yīng)都具有一定的影響，氰基加氫反應(yīng)也不例外。對于該反應(yīng)的伯胺選擇性而言，催化劑很重要，溫度則主要影響副產(chǎn)物的形成。

氣速與液速的影響 

如下圖4所示，反應(yīng)應(yīng)選擇在低空速條件下進(jìn)行（0.25-0.5 ml/min），綜合3-EAPN的轉(zhuǎn)化率以及3-EAPA的選擇性來考慮，得出最佳的液速應(yīng)選擇為0.25ml/min，最佳氣液比應(yīng)為240：1（41.1 ml/min H₂流速）。然而在液速0.5ml/min，H₂流速80ml/min的條件下底物轉(zhuǎn)化率大于99.9%，幾乎轉(zhuǎn)化；與此同時的3-EAPA選擇性也只是減少至99.34%，但此時的空速卻整整提高了一倍（3.0 h^-1~6.0 h^-1），再綜合實(shí)際生產(chǎn)效率來考慮，最佳的液速為0.5 ml/min，氣液比為160，此時的空速（WLHSV）為6 h^-1。

初始底物濃度的影響 

為了探究3-EAPN初始濃度對反應(yīng)性能（reaction performance）的影響，準(zhǔn)備了5種不同初始質(zhì)量濃度的3-EAPN乙醇溶液。其初始值分別為5%、10%、20%、30%、40%。比較結(jié)果如下圖5所示。

溶劑的影響

根據(jù)先前對氰基加氫的研究，采用的溶劑往往是醇或者烷烴。對于脂肪氰基化合物來說，顯然它們在極性較大的醇中溶解性較好。因此主要考慮了低級醇作為反應(yīng)的溶劑。在此章節(jié)中，選擇了甲醇、乙醇、異丙醇、乙二醇作為考察的對象。分別用上述溶劑配置成10 wt%濃度的溶液，在下圖6中展示了實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

可以看出，除了乙二醇外，其余三種醇作溶劑時，底物3-EAPN的轉(zhuǎn)化率均能達(dá)到100%。這似乎是由于乙二醇的粘度較高，使底物分子受到傳質(zhì)方面的限制導(dǎo)致其無法轉(zhuǎn)化。當(dāng)以甲醇作為溶劑時獲得了最佳的98.3%的伯胺3-EAPA選擇性，其次就是乙醇，選擇性為97.8%，異丙醇與乙二醇也分別達(dá)到了96.3%與96.9%的選擇性。按照選擇性依次提高的順序來說，很有可能是因?yàn)榇挤肿拥捏w積依次減小，使得生成的產(chǎn)物3-EAPA更容易從催化劑表面擴(kuò)散至液相主體中，宏觀上表現(xiàn)為產(chǎn)物在該溶劑中的溶解度大，從而減少了縮合反應(yīng)中不必要的副反應(yīng)。

助劑的影響

為了提高對伯胺（通常是理想的產(chǎn)品）的選擇性，通常是經(jīng)過添加氨、MOH（M = Na、K或Li）或鹽酸來抑制副反應(yīng)。對于使用Raney Cobalt作為催化劑的3-EAPN加氫體系，堿作為助劑是最為合適的。

催化劑的穩(wěn)定性

同樣地，我們也研究了催化劑的穩(wěn)定性，如圖8所示。圖9展示其連續(xù)運(yùn)行了160h的轉(zhuǎn)化率與選擇性?？梢钥闯觯呋瘎]有明顯的失活仍能保持接近100%的高轉(zhuǎn)化率以及99%左右的高伯胺選擇性，其余副產(chǎn)物的量均非常少，因此可得出結(jié)論，用于該連續(xù)流氰基化合物催化加氫催化劑（Raney Cobalt）的穩(wěn)定性是非?？捎^的。

系統(tǒng)適用的其余底物

我們已經(jīng)成功建立了一套以3-乙氨基bingqing為底物的連續(xù)流微填充床加氫體系。為了驗(yàn)證其在氰基加氫反應(yīng)的普適性以及高選擇性，我們還使用了其他的幾類腈，如含氮雜環(huán)腈、芳香腈以及二腈化合物等。在表2中，我們給出了幾種其他底物的轉(zhuǎn)化率分別對應(yīng)的伯胺產(chǎn)物以及其選擇性。

3-吡啶甲胺是一種新煙堿類殺蟲劑的關(guān)鍵中間體之一，其可通過煙腈氫化來合成。在較溫和的條件下（70℃，4 MPa H₂），對3-吡啶甲胺的轉(zhuǎn)化率為99.12%，選擇性為93.30%。己二胺（HDA）是生產(chǎn)尼龍66的原料，通常通過己二腈（ADN）的氫化來獲得。在同樣的條件下，底物ADN轉(zhuǎn)化，HDA的選擇性為93.77%。令人驚訝的是，對4-羥基benyiqing的氫化獲得酪胺的過程同樣獲得了底物的轉(zhuǎn)化以及高達(dá)99.17%的酪胺選擇性。此外對間苯二甲腈的氫化得到了93.89%的選擇性。這證明了該連續(xù)流動氫化系統(tǒng)對幾乎各種類型的氰基化合物都具有顯著的伯胺生產(chǎn)適應(yīng)性。

與釜式反應(yīng)相比較

對3-EAPN在間歇式高壓釜反應(yīng)器(100 mL)和μPBR中的催化加氫性能進(jìn)行了比較，結(jié)果如表3所示。顯然，在微填充床反應(yīng)器中的選擇性高于間歇反應(yīng)器。由于其增強(qiáng)了氣液傳質(zhì)效果，減少了停留時間從而減少副反應(yīng)的發(fā)生的同時，也大大提升了時空收率（STY）。

成功應(yīng)用微填充床反應(yīng)器建立了一套對3-EAPN選擇性加氫的連續(xù)流動系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，催化劑的本身屬性是影響腈加氫的主要因素。探究了在使用Raney Cobalt催化劑時的各種工藝條件參數(shù)(溫度，H₂壓力，氣液流量，溶劑種類，底物濃度，助劑種類及濃度)對反應(yīng)性能的影響。在優(yōu)選的條件下，可以獲得3-EAPN的100%轉(zhuǎn)化以及伯胺（3-EAPA）的99.67%選擇性。該連續(xù)流動氫化系統(tǒng)對很多不同結(jié)構(gòu)的氰基化合物的選擇性氫化均適用且可以獲得較高的伯胺選擇性，這說明了該使用微填充床的連續(xù)流動氫化系統(tǒng)與傳統(tǒng)間歇反應(yīng)相比，極大提升了內(nèi)部傳質(zhì)效率，減少了縮合副反應(yīng)的發(fā)生。