连续流反应器中8-羟基喹啉的绿色合成工艺开发

8-羟基喹啉（8-HQ）传统合成多采用Skraup 反应，以邻氨基酚、甘油为原料，浓硫酸为催化剂兼脱水剂，辅以硝基苯等氧化剂，存在反应条件苛刻、废酸排放量大、氧化剂毒性高、产物选择性低等问题。连续流反应器凭借传质传热效率高、反应参数精准可控、过程绿色安全的优势，可实现8-羟基喹啉的高效清洁合成。以下从反应原理、工艺设计、核心优化策略及绿色化关键技术展开阐述：

一、连续流合成8-羟基喹啉的反应原理

连续流体系中8-羟基喹啉的合成仍基于 Skraup 反应的核心机理，分为三步串联反应，且在连续流的精准调控下，副反应被显著抑制：

甘油脱水：甘油在酸性催化剂作用下脱水生成丙烯醛，连续流反应器的高温微通道可快速提供脱水所需热量，且反应物停留时间短，避免丙烯醛过度聚合；

亲电加成：丙烯醛与邻氨基酚发生亲电加成反应，生成中间体2-（2-羟苯基）-3-羟基丙胺，连续流的强混合特性可提升反应物碰撞频率，加速加成反应；

环化脱氢：中间体经分子内环化生成1,2-二氢喹啉，再经氧化脱氢得到8-羟基喹啉。连续流体系可精准控制氧化强度，避免过度氧化生成醌类副产物。

相较于间歇反应，连续流的微尺度效应可消除反应过程中的“热点”，抑制碳化、聚合等副反应，产物选择性提升10%~20%。

二、连续流反应器的选型与工艺系统设计

1. 反应器选型

根据反应特性，优先选用以下两类连续流反应器，兼顾反应效率与绿色性：

微通道反应器（MCR）：适用于实验室小试及中试，通道内径50~500μm，比表面积大（可达1000~5000m²/m³），传质传热速率比间歇反应高1~2个数量级，可在短时间内完成脱水-加成-环化的串联反应，且无废酸残留风险；

管式连续流反应器：适用于工业化放大，采用模块化设计，可分段控制温度（脱水段、加成段、环化段独立控温），便于实现连续化生产，单套设备日产8-羟基喹啉可达吨级规模。

2. 工艺系统整体设计

连续流合成8-羟基喹啉的工艺系统由进料单元、反应单元、分离单元、溶剂回收单元四部分组成，形成闭环绿色生产流程：

进料单元：采用精密计量泵分别输送邻氨基酚溶液、甘油溶液、酸性催化剂溶液及绿色氧化剂溶液，精准控制物料摩尔比（邻氨基酚：甘油：氧化剂=1:1.2:0.5），避免原料过量浪费；

反应单元：反应器分段控温 —— 脱水段温度160~180℃，加成段120~140℃，环化段140~160℃，物料总停留时间控制在5~10min，通过背压阀维持系统压力0.5~1.0MPa，防止丙烯醛挥发；

分离单元：反应液经冷却器降温至室温后，进入连续萃取塔，采用乙酸乙酯作为萃取剂，实现8-羟基喹啉与水相催化剂的快速分离；

溶剂回收单元：萃取相经减压精馏回收乙酸乙酯（回收率＞95%），循环回用；水相中的酸性催化剂经树脂吸附提纯后，返回进料单元循环使用。

三、连续流工艺的核心优化策略

1. 催化剂的绿色化替代与再生

传统浓硫酸催化剂易导致设备腐蚀、废酸污染，连续流体系中可采用以下绿色催化剂，兼顾催化活性与可回收性：

固体酸催化剂：选用磺酸基功能化的介孔硅（如SBA-15-SO₃H）、离子交换树脂（如Nafion NR50）作为固定床催化剂，装填于连续流反应器的催化段。固体酸的酸强度可控，可精准催化甘油脱水，且不溶于反应体系，反应后经水洗、干燥即可再生，重复使用10次以上催化活性无明显下降；

离子液体催化剂：采用[HSO₃-pmim][HSO₄]等质子型离子液体，兼具酸性催化与溶剂功能，与反应物相容性好，反应后可通过减压蒸馏与产物分离，回收率＞90%，避免废酸排放。

2. 氧化剂的低毒化选择

传统硝基苯氧化剂毒性高、易生成苯胺类副产物，连续流体系中优先选用以下绿色氧化剂：

空气/氧气氧化：在环化脱氢阶段，通入压缩空气或氧气作为氧化剂，连续流的气液两相混合效率高，可实现高效氧化脱氢，副产物仅为水，无污染物排放；

过氧化氢氧化：采用30% H₂O₂作为氧化剂，在酸性条件下生成羟基自由基，氧化选择性高，且反应后无残留毒性物质，适合高纯度8-羟基喹啉的合成。

3. 反应参数的精准调控

连续流工艺的优势在于通过参数优化最大化反应效率，关键调控参数如下：

物料摩尔比：控制甘油过量10%~20%，可提升邻氨基酚的转化率，避免邻氨基酚自身聚合；氧化剂用量为邻氨基酚摩尔量的50%~60%，即可实现完全脱氢，过量易导致副反应；

停留时间：总停留时间过短（＜5min）会导致环化不完全，过长（＞15min）则引发产物碳化，至优停留时间为5~10min；

温度梯度：采用分段控温，避免全程高温导致的副反应。脱水段高温（160~180℃）促进甘油转化为丙烯醛，加成段中温（120~140℃）提升中间体生成效率，环化段中高温（140~160℃）加速环化脱氢。

四、工艺绿色化与工业化关键技术

1. 三废减排与资源循环

废水处理：水相经树脂回收催化剂后，COD值降至500mg/L 以下，再经生化处理即可达标排放；

溶剂循环：萃取剂乙酸乙酯的回收率＞95%，离子液体催化剂回收率＞90%，大幅降低原料成本；

固废处理：固体酸催化剂再生过程中产生的少量废渣，可作为建材原料，实现固废零填埋。

2. 过程安全与自动化控制

连续流反应器的微通道结构可有效控制反应放热量，避免间歇反应中因局部过热引发的冲料风险；

搭建PLC自动化控制系统，实时监测温度、压力、流量等参数，实现异常工况自动报警与紧急停机，保障生产安全。

3. 工业化放大的关键要点

反应器模块化设计：采用多组微通道反应器并联，提升产能的同时，维持单通道内的传质传热效率；

防堵塞优化：在进料口加装精密过滤器，防止固体催化剂颗粒或原料杂质堵塞通道；定期采用溶剂反冲清洗反应器，维持通道畅通。

五、工艺优势与应用前景

连续流绿色合成8-羟基喹啉的工艺，相比传统间歇工艺具有显著优势：产物收率提升至85%~90%，选择性＞98%，废酸排放量减少90%以上，能耗降低30%~40%。该工艺可直接应用于医药、农药、水处理剂等领域的其生产，尤其适合高纯度8-羟基喹啉的规模化制备。未来可进一步结合光催化连续流技术，开发无氧化剂的光催化脱氢工艺，实现8-羟基喹啉的全绿色合成。

本文来源于黄骅市信诺立兴精细化工股份有限公司官网 http://www.xnlxgroup.com/