微反应器中的克莱森重排反应
单丽娟，山东豪迈化工技术有限公司
摘 要：微反应器内，流体在通道内以微米级的单元相互接触，这种特殊的结构,有着传统反应器无法比拟的优越性。
引言
以微结构反应器为基础的微化工技术,是一门名副其实的多学科交叉技术。已涉及到研究的各种领域,包括数学、化学、物理、材料、生物、药物、化工及机械加工等。该技术的核心是将现有的技术手段，利用微系统技术进行优化。由于其具备较大的比表面积、微小的反应体积和其特有的层流传质，使其在传热、传质和混合性能方面具有常规反应器无法比拟的优势。
随着微反应器的推广，化工工程师们争相报道了各种有机反应在微反应器中
[1]应用的文章，例如硝化反应、氟化反应、格氏反应、迈克尔加成反应、磺化反
[2][3]应等。微反应器中进行克莱森重排反应的文献报道不是很多。
1微反应器中的克莱森重排反应
克莱森重排反应最经典的反应是烯丙基苯基醚高温下的重排反应，得到邻烯丙基苯酚。它是一种有机化合物，是一种新型农用杀菌剂，对苹果腐烂、苹果干腐病、苹果轮纹病、玉米小叶斑病等具有明显的防治作用。克莱森重排是严格的分子内反应，是构建C-C键的有力工具。传统反应器中，对位取代的克莱森重排反应一般需要较高的反应温度（﹥200℃）和较长的反应时间。高温下的长时间反应容易生成多种副产物，使产率降低，增加各种后处理费用。
我们尝试在微反应器中进行克莱森重排反应，同时选用最经典的反应类型，产物是邻烯丙基苯酚。
1.1实验仪器与试剂
仪器:
输液泵(0.01-100ml/min)
微反应器（自制）
玻璃烧瓶（若干）
、
油浴锅
试剂：对位取代的烯丙基苯基醚（自制）
1.2微反应器中的克莱森重排反应
液体反应物在无溶剂的条件下通过恒流泵直接打入微反应器的通道内，通过微反应器装置加热片的加热作用，发生重排反应，最后产物冷却流入收集装置。该反应的停留时间主要通过调节反应液的流速来控制，流速主要通过泵的设定和调节来控制。收集来的反应液直接进行HPLC检测，确定反应物的转化率，为了
1确定产物的结构，反应产物则采用柱色谱分离后进行HNMR、IR表征。
1.3常规反应器中的克莱森重排反应
操作一：在玻璃烧瓶中加入液体反应物，置于油浴锅中加热，控制反应温度和反应时间分别与在微反应器中的反应温度和停留时间一致。反应物直接进行HPLC检测，确定反应物的转化率，为了确定产物的结构，反应产物则采用柱色
1谱分离后进行HNMR、IR表征。
操作二：在玻璃烧瓶中加入液体反应物，置于油浴锅中加热，控制反应温度与微反应器中的反应温度一致，反应时间延长至3h。反应物直接进行HPLC检
测，确定反应物的转化率，为了确定产物的结构，反应产物则采用柱色谱分离后进行1HNMR、IR表征。
1.4结果与讨论
1.4.1反应温度和停留时间对产率的影响
该实验选取对氯苯基烯丙基醚来作为微反应器中反应条件优化的对象。分别考察了反应温度和停留时间对反应产率的影响。反应温度分别考察了200℃、210℃、220℃情况下反应物的产率。停留时间分别考察了8min、12min、16min、20min、24min情况下反应物的产率。通过实验数据发现，反应产物2-烯丙基-4-氯苯酚的产率随着停留时间的增加而升高，在20min时，产率最高，此时，若再继续延长停留时间，产率无明显增加。
我们尝试将反应温度提高到210℃，发现每个停留时间段的产率都有了明显的提升。可见升高反应温度是提高反应物产率的关键因素，随后，进行了220℃下反应停留时间20min的反应条件下，对反应物产率的考察。得出结论，当反应停留时间为20min，反应温度220℃时，反应物的产率达到了90%，远远高于相同外界条件下常规反应器中的15%。由于考虑到反应物的沸点，没有进一步升高温度对反应物产率进行考察。
图1-1不同温度不同停留时间对氯苯基烯丙基醚重排反应产率的影响
1.4.2不同反应物在微反应器中的收率
通过1.4.1中对反应温度和停留时间的研究,得出20min是该反应类型在微反应器中的最佳停留时间。在此基础上，考察了不同的反应物同时都保留20min条件下反应情况的研究。实验条件和结果见表格1-1。从表格1-1中看出，反应物3和4，反应结果十分令人满意，产物的纯度也比较高，省掉了后处理环节。对于反应物4的反应，即使进一步缩短反应的停留时间到12min，反应的产率依然高达98%。在无溶剂和如此短的停留时间下得到如此理想的反应结果，毫无疑问这是一条绿色高效的合成路线。
山东豪迈化工技术表1-1在微反应器中进行的对位取代的苯基烯丙基醚的克莱森重排反应收率（%）
编号反应物产物停留时间/min反应温度（℃）微反应器常规反应器
20
[**************]75（3h）[***********]（3h）[***********]4（3h）[1**********]99.999.93885（3h）
1.4.3流速对反应产率的影响
前面已经考察了反应温度和停留时间对反应产率的影响，现在研究流速对反应的影响。当微通道的长度相同的情况下，反应的流速和停留时间成反比，要想在相同的停留时间下考察流速对反应的影响，必须采用不同长度的微反应通道。该实验中，我们分别采用了3片与6片的微反应片串联进行试验研究。实验结果如图1-2所示。
从图中可以看出，停留时间相同的情况下，反应液的流速对反应产率的影响较大。停留时间较短，低流速时的产率比高流速时的产率超出近一倍。然而，随着停留时间的加长，不同流速对反应的影响逐渐减小，当停留时间加长到20min时，产率基本趋于一致。重复上述实验，结果相似。
山东豪迈化工技术
图1-2220℃时微反应器中流速对反应物4产率的影响
1.4.4微反应器与常规反应器中克莱森重排反应的比较
为了更好地对微反应器与常规反应器中的克莱森重排反应进行比较，我们对涉及到的所有反应物在常规反应器中的反应进行了研究。如表1-1所示，分别对与微反应器相同的停留时间和3h停留时间进行了考察。发现，在常规反应器中反应时间不变的情况下，所有反应物的产率最大没超过微反应器的1/2。即使反应时间延长至3h，反应产率也远远低于微反应器中的反应。除此之外，微反应器中的产物透明澄清，而在常规反应器中的产物黑色粘稠，发生了严重的碳化焦化。这也是微反应器相较于常规反应器的优势之一。反应物在微反应器中发生完反应后会立即流出反应体系，这样就大大缩短了反应物与热源的接触时间，避免了反应物的高温降解及焦化碳化。
小结
通过将微反应器应用到克莱森重排反应中，实现了这类反应产物的高效绿色的合成。相对于传统的常规反应器，反应产物的产率实现了大幅的提升，产物的色泽透明，纯度高。充分体现了微反应器在克莱森重排反应中的应用优势。参考文献：
[1]钱华,吕春绪,叶志文.N2O5/HNO3硝化硝解TAIW制备CL-20[J].应用化学,2008,25(3):378-80.
[2]SinghG,KapoorIPS,JainM.Aromaticsulfonationpart8,sulfonatingreagentsmechanistic
perspective[J].RoumanianChemicalQuarterlyReviews,2000,7(3):201-212.
[3]Ceylan,S.;Friese,C.;Lammel,C.;Mazac,K.;Kirschning,A.,InductiveHeatingforOrganicSynthesisbyUsingFunctionalizedMagneticNanoparticlesInsideMicroreactors.Angew.Chem.Int.Edit.2008,47(46),8950-8953.
微反应器中的克莱森重排反应
单丽娟，山东豪迈化工技术有限公司
摘 要：微反应器内，流体在通道内以微米级的单元相互接触，这种特殊的结构,有着传统反应器无法比拟的优越性。
引言
以微结构反应器为基础的微化工技术,是一门名副其实的多学科交叉技术。已涉及到研究的各种领域,包括数学、化学、物理、材料、生物、药物、化工及机械加工等。该技术的核心是将现有的技术手段，利用微系统技术进行优化。由于其具备较大的比表面积、微小的反应体积和其特有的层流传质，使其在传热、传质和混合性能方面具有常规反应器无法比拟的优势。
随着微反应器的推广，化工工程师们争相报道了各种有机反应在微反应器中
[1]应用的文章，例如硝化反应、氟化反应、格氏反应、迈克尔加成反应、磺化反
[2][3]应等。微反应器中进行克莱森重排反应的文献报道不是很多。
1微反应器中的克莱森重排反应
克莱森重排反应最经典的反应是烯丙基苯基醚高温下的重排反应，得到邻烯丙基苯酚。它是一种有机化合物，是一种新型农用杀菌剂，对苹果腐烂、苹果干腐病、苹果轮纹病、玉米小叶斑病等具有明显的防治作用。克莱森重排是严格的分子内反应，是构建C-C键的有力工具。传统反应器中，对位取代的克莱森重排反应一般需要较高的反应温度（﹥200℃）和较长的反应时间。高温下的长时间反应容易生成多种副产物，使产率降低，增加各种后处理费用。
我们尝试在微反应器中进行克莱森重排反应，同时选用最经典的反应类型，产物是邻烯丙基苯酚。
1.1实验仪器与试剂
仪器:
输液泵(0.01-100ml/min)
微反应器（自制）
玻璃烧瓶（若干）
、
油浴锅
试剂：对位取代的烯丙基苯基醚（自制）
1.2微反应器中的克莱森重排反应
液体反应物在无溶剂的条件下通过恒流泵直接打入微反应器的通道内，通过微反应器装置加热片的加热作用，发生重排反应，最后产物冷却流入收集装置。该反应的停留时间主要通过调节反应液的流速来控制，流速主要通过泵的设定和调节来控制。收集来的反应液直接进行HPLC检测，确定反应物的转化率，为了
1确定产物的结构，反应产物则采用柱色谱分离后进行HNMR、IR表征。
1.3常规反应器中的克莱森重排反应
操作一：在玻璃烧瓶中加入液体反应物，置于油浴锅中加热，控制反应温度和反应时间分别与在微反应器中的反应温度和停留时间一致。反应物直接进行HPLC检测，确定反应物的转化率，为了确定产物的结构，反应产物则采用柱色
1谱分离后进行HNMR、IR表征。
操作二：在玻璃烧瓶中加入液体反应物，置于油浴锅中加热，控制反应温度与微反应器中的反应温度一致，反应时间延长至3h。反应物直接进行HPLC检
测，确定反应物的转化率，为了确定产物的结构，反应产物则采用柱色谱分离后进行1HNMR、IR表征。
1.4结果与讨论
1.4.1反应温度和停留时间对产率的影响
该实验选取对氯苯基烯丙基醚来作为微反应器中反应条件优化的对象。分别考察了反应温度和停留时间对反应产率的影响。反应温度分别考察了200℃、210℃、220℃情况下反应物的产率。停留时间分别考察了8min、12min、16min、20min、24min情况下反应物的产率。通过实验数据发现，反应产物2-烯丙基-4-氯苯酚的产率随着停留时间的增加而升高，在20min时，产率最高，此时，若再继续延长停留时间，产率无明显增加。
我们尝试将反应温度提高到210℃，发现每个停留时间段的产率都有了明显的提升。可见升高反应温度是提高反应物产率的关键因素，随后，进行了220℃下反应停留时间20min的反应条件下，对反应物产率的考察。得出结论，当反应停留时间为20min，反应温度220℃时，反应物的产率达到了90%，远远高于相同外界条件下常规反应器中的15%。由于考虑到反应物的沸点，没有进一步升高温度对反应物产率进行考察。
图1-1不同温度不同停留时间对氯苯基烯丙基醚重排反应产率的影响
1.4.2不同反应物在微反应器中的收率
通过1.4.1中对反应温度和停留时间的研究,得出20min是该反应类型在微反应器中的最佳停留时间。在此基础上，考察了不同的反应物同时都保留20min条件下反应情况的研究。实验条件和结果见表格1-1。从表格1-1中看出，反应物3和4，反应结果十分令人满意，产物的纯度也比较高，省掉了后处理环节。对于反应物4的反应，即使进一步缩短反应的停留时间到12min，反应的产率依然高达98%。在无溶剂和如此短的停留时间下得到如此理想的反应结果，毫无疑问这是一条绿色高效的合成路线。
山东豪迈化工技术表1-1在微反应器中进行的对位取代的苯基烯丙基醚的克莱森重排反应收率（%）
编号反应物产物停留时间/min反应温度（℃）微反应器常规反应器
20
[**************]75（3h）[***********]（3h）[***********]4（3h）[1**********]99.999.93885（3h）
1.4.3流速对反应产率的影响
前面已经考察了反应温度和停留时间对反应产率的影响，现在研究流速对反应的影响。当微通道的长度相同的情况下，反应的流速和停留时间成反比，要想在相同的停留时间下考察流速对反应的影响，必须采用不同长度的微反应通道。该实验中，我们分别采用了3片与6片的微反应片串联进行试验研究。实验结果如图1-2所示。
从图中可以看出，停留时间相同的情况下，反应液的流速对反应产率的影响较大。停留时间较短，低流速时的产率比高流速时的产率超出近一倍。然而，随着停留时间的加长，不同流速对反应的影响逐渐减小，当停留时间加长到20min时，产率基本趋于一致。重复上述实验，结果相似。
山东豪迈化工技术
图1-2220℃时微反应器中流速对反应物4产率的影响
1.4.4微反应器与常规反应器中克莱森重排反应的比较
为了更好地对微反应器与常规反应器中的克莱森重排反应进行比较，我们对涉及到的所有反应物在常规反应器中的反应进行了研究。如表1-1所示，分别对与微反应器相同的停留时间和3h停留时间进行了考察。发现，在常规反应器中反应时间不变的情况下，所有反应物的产率最大没超过微反应器的1/2。即使反应时间延长至3h，反应产率也远远低于微反应器中的反应。除此之外，微反应器中的产物透明澄清，而在常规反应器中的产物黑色粘稠，发生了严重的碳化焦化。这也是微反应器相较于常规反应器的优势之一。反应物在微反应器中发生完反应后会立即流出反应体系，这样就大大缩短了反应物与热源的接触时间，避免了反应物的高温降解及焦化碳化。
小结
通过将微反应器应用到克莱森重排反应中，实现了这类反应产物的高效绿色的合成。相对于传统的常规反应器，反应产物的产率实现了大幅的提升，产物的色泽透明，纯度高。充分体现了微反应器在克莱森重排反应中的应用优势。参考文献：
[1]钱华,吕春绪,叶志文.N2O5/HNO3硝化硝解TAIW制备CL-20[J].应用化学,2008,25(3):378-80.
[2]SinghG,KapoorIPS,JainM.Aromaticsulfonationpart8,sulfonatingreagentsmechanistic
perspective[J].RoumanianChemicalQuarterlyReviews,2000,7(3):201-212.
[3]Ceylan,S.;Friese,C.;Lammel,C.;Mazac,K.;Kirschning,A.,InductiveHeatingforOrganicSynthesisbyUsingFunctionalizedMagneticNanoparticlesInsideMicroreactors.Angew.Chem.Int.Edit.2008,47(46),8950-8953.