偶氮化合物的連續合成：效率與安全的雙重提升

偶氮化合物（AZO）是一類以偶氮基（─N=N─）為核心結構的有機化合物，其通式為R─N=N─R’。偶氮基作為發色團，賦予化合物特殊的光學性質，使其成為染料、指示劑等領域的關鍵材料，超過60%的合成染料是偶氮化合物。芳香族偶氮化合物的共軛體系進一步增大，表現出更高的化學穩定性和熱穩定性，良好的光學性能和溶解性，使得芳香偶氮化合物被廣泛地應用于有機染料、生物醫藥、食品添加劑、自由基誘發劑、液晶材料及非線性光學材料等許多領域。

重氮偶聯反應（Azo coupling reaction）是制備偶氮化合物的常用方法，包括兩個步驟：在低溫下重氮化芳香族伯胺；重氮鹽正離子作為弱的親電試劑與富電子芳香親核試劑進行芳環上的親電取代反應，生成偶氮化合物。

重氮偶聯反應面臨的問題

重氮偶聯反應在傳統批次生產模式中存在一些問題，如高能耗、長反應時間、相對較低的生產效率以及批次間的質量不穩定。

重氮偶聯反應是一種放熱反應，反應時釋放大量的熱量，使用釜式反應器時通常需要在快速攪拌和緩慢添加重氮鹽溶液的情況下進行，以防止局部過熱以及副產物的產生。

低效的傳熱傳質會導致釜式反應器中不同位置的條件不均一，例如局部溫度、局部pH值和局部反應物濃度等，導致不良結果和產物的顏色不合格。

偶氮化合物的合成過程中涉及重氮鹽中間體，由于其潛在的爆炸性和不穩定性具有一定的安全風險，釜式反應器較大的持液體積進一步提高了危險性。

由于強放熱和不穩定的中間體，批次生產的批量往往較小，使生產效率相對較低，不同批次的產品顏色和性質也可能產生顯著差異。

連續流反應的破局之道

與間歇式反應器相比，使用連續流反應器有幾個明顯的好處，包括增強的熱質傳遞、可重復性、可快速擴大規模和提高安全性。使用連續流反應器進行重氮偶聯反應可以避免大量不穩定中間體的生成，同時保持高產率。

連續流反應器具有更高的傳熱和傳質效率，通常是釜式反應器的數百倍，可以有效處理放熱反應，移出反應熱量，避免局部過熱導致的副反應。

連續流系統能夠更精確地控制反應參數，如溫度、pH值和反應時間，平推流使物料在反應器內部無返混現象，從而提高反應的選擇性和產率。

反應在較小的體積內進行，減少了不穩定中間體的積累，提高了操作安全性。

連續流系統可以強化反應條件，縮短反應時間，并通過并行擴展多個小型反應器來快速實現放大生產，提高生產效率，避免了傳統批處理放大過程中常見的混合不均問題。

應用案例

早期研究中，Wootton等人于2002年報道在連續流中合成了幾種偶氮染料，沒有對反應條件進行優化導致產率不一，但展示了該方法的安全性。Wille等人比較了批處理放大與連續流系統的放大，發現連續流系統在保持顏料質量方面更具優勢，體現在色調和色度并不會因為生產規模的放大而減弱。

Shukla等人在連續流系統中以92%和96%的高產合成偶氮染料蘇丹一號和溶劑黃16。與相應的批次生產相比，連續模式將成本降低了4.69倍，將工廠占地面積降低了2.5~4.5倍，減少了40%的用水量。

華東理工大學辛忠教授及其團隊通過四步連續反應來合成顏料紅53，開發了一種多步驟連續集成生產系統，用于生成偶氮色淀顏料的重氮化—偶聯—色淀—晶體轉變過程，通過去除中間操作步驟避免了輸送高度不溶性反應中間體的問題。經過工藝參數優化，在總停留時間80 s內，重氮化-偶聯-固溶-晶型轉變工藝合成顏料紅53的總收率達到97.1%。

在初始研究中，HPLC證實所有染料在最終的著色反應中都已轉化為色淀顏料，因此，只需優化前面的重氮化和偶聯反應來提高總收率。采用三因素三水平正交試驗設計，考察了反應時間、溫度和pH值對偶聯反應的影響，證明影響程度最大的是溫度和pH值，停留時間對產率的影響不大，確定偶聯反應的最佳條件為停留時間10 s，溫度40 °C，pH 7.5。在此優化條件下，偶聯反應總收率為93.5%，并通過三次重復實驗驗證了結果的穩定性。

該重氮化-偶聯-色淀-晶型轉變過程以連續流和間歇方式進行，以驗證連續流系統的優勢。發現在連續流系統中合成的產品純度為98.2%，而分批合成的顏料產物只有97.1%的純度，并且顏料顆粒的中值直徑從14 μm（分批）減小到1.9 μm（連續）。

結語

連續流反應器在重氮偶聯反應中的應用，不僅顯著提高了反應效率和產物質量，還極大地增強了生產過程的安全性和可重復性。從早期的初步探索到如今的工藝優化，連續流技術在偶氮化合物合成中的優勢已得到充分驗證。未來，隨著技術的進一步發展和應用的不斷拓展，連續流反應有望在更多領域實現工業化生產，推動偶氮化合物及相關產業的可持續發展。連續