管中管流反應器因其獨特的特性，如高比介面面積、增強的傳質和混合、減少材料消耗以及安全處理有毒和易燃氣體，正在成為各種氣液反應的高效流動化學策略。 本文討論了利用管中流反應器對一氧化碳、氫氣和合成氣進行高壓氣液反應的基礎和應用研究的最新進展。 此外，我們還對管中管流反應器的潛在未來方向進行了展望，例如放大和增強穩健性。
在現代合成實驗室中，由於危險性質的化學品（例如活性氣體）的毒性、易燃性以及適當的過程控制和流體處理所需的昂貴專用裝置和廣泛的安全預防措施，因此限制或經常避免使用危險性質的化學品。 然而，這些有害物質中的許多都可以用作增值化學品的組成部分，例如聚合物、作物改良新增劑、活性藥物成分 （API） 和先進材料。 因此，人們非常關注（尤其是在實驗室規模上）安全的方法，這些方法可以很容易地使用這些危險化學品以低成本生產所需的產品。 最近，流動反應器已被用於進行處理危險前體的化學反應，因為它們具有增強的安全性、固有的高傳熱和傳質（工藝強化）、整個過程自動化的可能性以及低成本。 雖然管中管結構已成功用於研究多種氣液反應，例如好氧氧化、甲氧羰基化、氫化和羰基化，但本小型綜述的重點是在流動化學平台中使用 Teflon AF2400 透氣口的涉及一氧化碳和氫氣的反應。 （福林塑料**鐵氟龍AF2400脫氣管）。
圖 1 顯示了管中管流反應器的配置示意圖，其中氣體流在環的外部，液體流在內側（圖 1a），或者是相反的布置（圖 1b），即反向。
圖1管中管流動反應器的（a）法向和（b）反向配置示意圖，用於氣液反應（如加氫、羰基化和加氫甲醯化）的基礎和應用研究。
在氣液反應中，介面面積a（m m）對高效傳質起著關鍵作用。 與流動反應器相比，傳統的間歇式反應器提供更小的介面面積。 表1總結了不同型別反應器的介面面積和傳質係數的報告值。 可以看出，與其他進行氣液反應的反應器相比，管中管流動反應器提供了極高的比介面面積。
表1不同氣液反應器中的傳質引數。
管中管微反應器主要由透氣內管和不透水外殼組成（圖1）。 不鏽鋼和PTFE可用於氣密外管。 內胎主要由高滲透性PTFE AF-2400（一種無定形含氟聚合物）製成。 管中管流動反應器的堅固元件是這種有前途的高壓氣液反應流動化學策略安全長期執行的關鍵因素。 圖 2 顯示了管中管流反應器通過“T”型接頭的傳統流體連線，其中內流和外環的連線是分開的。 如圖所示，內部排氣管穿過“T”型接頭，並連線到用於內部流動進料的氣密管（通常是全氟烷氧基烷烴或氟化乙烯丙烯管）。 外流進料連線到“T”型接頭的第二個埠（垂直於內進料流）。 （福林塑料**鐵氟龍AF2400脫氣管）。
圖2管中管流反應器中使用的流體連線示意圖。
在管中管流反應器的傳統配置（正常）中，反應的液相和氣相分別通過反應器的內管側和殼側（圖3A）。 在相反的配置（反向）中，氣相流過內管，液體流過環，圖3b。 在這兩種配置中，反應性氣體分子通過氣體滲透管滲透，溶解到液相中，並與液相中存在的試劑和/或催化劑發生反應。
圖3管中管反應器正向（a）和反向（b）構型及理化特性示意圖。
報告了管中管流反應器中氣液反應的定量傳質研究，並比較了相同流速下正向和反向流動構型的物理（傳質速率）和化學（動力學、轉化率和產率）特性，分別如圖3a和b所示。 相反配置中較高的氣體濃度值是由於流過溶劑的殼側橫截面積較大，導致氣液接觸時間更長，從而改善傳質。
在最近的一項研究中，為了減少材料消耗，在氣液反應篩選和優化過程中，使用單個微公升體積的反應液滴開發了一種材料效率高的管中管流動反應器。 在圖4a所示的緊湊型流動反應器中，含有反應混合物的液滴使用加壓氮氣在內管中來回振盪。 除了連續管中管流反應器的上述所有優點外，單滴流化學策略還提供了一種沒有任何停留時間限制的快速篩選方法。 因此，可以在相對較小的反應器占地面積內容納廣泛的反應時間（數秒至數小時）。
鐵氟龍AF-2400是四氟乙烯和全氟二甲基二氧六環的共聚物，主要用作管中管流動反應器中管式滲透膜的基板。 與氮氣 （N2） 等惰性氣體相比，鐵氟龍 AF-2400 對一氧化碳 （CO）、氫氣 （H2） 和二氧化碳 （CO2） 等活性氣體具有相對較高的滲透性。 此外，與較大的可冷凝氣體分子相比，相對較小的氣體分子對特氟龍 AF-2400 具有更高的滲透性。 與氣體相比，特氟龍 AF-2400 不會滲透非氟化液體。 這是由於其耐化學性、機械強度以及微孔和無定形結構。 特氟龍 AF-2400 用作管狀通氣膜，用於一系列烯烴的臭氧分解的氣液反應，隨後用於其他流動的氣液反應，包括甲氧羰基化和氫化。 （福林塑料**鐵氟龍AF2400脫氣管）。
聚合物的透氣性很大程度上取決於聚合物的自由體積。 游離體積分數 （FFV） 用作比較聚合物游離體積的指標，定義為聚合物體積 （cm3） 的自由體積 （cm3）。 Teflon AF2400 具有很高的 FFV 值 （032）是全氟聚合物中報告的最高值，與傳統的玻璃聚合物相比，全氟聚合物對永久氣體的滲透性非常高。表 2 顯示了 Teflon AF2400 和 PTFE 對常用反應性和惰性氣體的透氣性存在顯著差異。
表2鐵氟龍AF2400和PTFE對不同氣體的滲透性。
管中管流反應器中的一氧化碳
一氧化碳 （CO） 是一種有毒且高度易燃的氣體，在大多數有機溶劑中的溶解度有限。 然而，由於其低成本和多功能性，它已被連續用於不同的工業過程，如費託、羰基化和加氫甲醯化。 這些反應比傳統的間歇式反應器更安全、更高效。 反應器的小尺寸最大限度地減少了活性氣體的體積，從而降低了使用CO的安全風險。 使用Teflon AF-2400的管中管流動反應器（圖5A）用於鈀催化的芳基、雜芳烴、乙烯基碘和芳基溴的甲氧羰基化反應。 測試了不同的芳基碘化物、芳基溴化物和乙烯基碘化物，所有 14 種情況下的收率為 62-93%。 此外，原位傅利葉變換紅外光譜 （FTIR） 用於實時監測 CO 濃度，以找到導致流中 CO 濃度最高的最佳壓力。 （福林塑料**鐵氟龍AF2400脫氣管）。
圖5使用管中管流動反應器進行 （a） 甲氧羰基化、（b） 芳基碘化物羰基化、（c） 氨基羰基化和 （d） 異位 CO 生成的流動化學平台示意圖。
在另一項研究中，價格為 05 mol%醋酸鈀用作催化劑，在反向管流入反應器中對幾種芳基碘化物進行羰基化，並生產烷氧基羰基化產物（8個示例中的轉化率為91-99%）（圖5b）。 將不鏽鋼外殼加熱到120，增加了所研究芳基碘化物的轉化率。
一種新型的低壓羰基化反應器，其中 CO 通過 Morgan 反應在異位生成，然後通過流經基於 Teflon AF-2400 的管中管流反應器進行 HECK 氨基羰基化，如圖 5C 所示。 因此，這種反應可以避免使用二氧化碳鋼瓶並產生二氧化碳，從而進一步提高這些反應的安全性。
開發了一種無圓柱體羰基化平台，如圖5D所示。 本研究將草醯氯用氫氧化鈉溶液水解，在外部流中生成CO，然後通過鐵氟龍AF-2400管，富集內流中的反應流，並在內流中被消耗。 這種無圓柱體策略隨後被成功應用於烷氧基和氨基羰基化反應的研究。 只要與反應條件相容，該策略就可用於原位生成 CO。 管中管流動反應器也已成功用於鈀催化的芳基碘化物和溴化物的羰基化反應，並與一系列羥基、烷氧基和親氨基化合物偶聯。 結果表明，通過引入第二個管中管流動反應器，引入氣態胺親核試劑，用於選定芳基碘化物的氨基羰基化反應，可以進一步擴充套件該流動化學平台。 因此，管中管微反應器可以為研究二氧化碳的氣液反應提供比傳統間歇式反應器更安全的替代方案，二氧化碳被認為是許多合成產品的主要成分之一。
氫氣也是另一種重要的合成氣，它高度易燃且極易受影響。 由於大多數加氫反應往往在高壓下進行，因此在研究實驗室中使用氫氣進行此類反應會帶來額外的風險。 管中管流反應器，類似於上面的一氧化碳示例，可以為需要氫氣和氣液接觸的化學反應提供更高的安全性。
管中管流反應器可用於實現高壓催化加氫反應的工藝強化。 流動化學平台需要少量的加壓氣體，從而提高了工藝安全性。 在最近的一項研究中，使用管中管流動反應器使用Crabtree催化劑（組分2,0001當量）肉桂酸乙酯（組分1）在二氯甲烷中的均相加氫。在2 ml min的液體流速和20 bar的氫氣壓力下，轉化率為48%。 詳細的流動化學平台如圖6a所示。 通過增加管中管微反應器的停留時間，增加反應器長度，轉化率不斷提高，最終在150秒停留時間穩定在70%左右。 通過將壓力增加到 30 bar，進一步提高了轉化率。 對於非均相催化加氫，將相同的流動化學平台與Omnifit玻璃柱（填充250 mg 10 mg鈀碳催化劑，77mol基板）放置在管中管流動反應器和背壓調節器之間，如圖6b所示。 在該裝置中，290 分鐘後，出口流在 15 bar 的氫氣壓力下再迴圈回反應器，從而實現完全轉化。
圖6用於 （a） 均相和 （b） 非均相催化加氫、（c） 連續流加氫和 （d） 使用管中管流動配置對三取代烯烴進行不對稱加氫的流動化學平台。
帶有管中管流動反應器的流動化學平台也被用於使用手性銥和銠基催化劑對三取代烯烴進行連續不對稱加氫。 該流動反應器易於操作和組裝，能夠高通量篩選不同手性銥和銠基催化劑的影響，以及壓力、溫度、催化劑負載和溶劑等工藝引數對加氫反應的影響。 在所研究的催化劑中，ubaphox表現出最高的選擇性和反應性。
通過串聯兩個管中管流動反應器和乙個微混合器晶元，獲得了最佳結果，如圖6d所示。 在該裝置中，加入第二流反應器以補充反應後的氫氣，微混合器晶元提供底物和催化劑的快速混沌混合，從而提高轉化率。
CO 和 H2 的混合物，通常具有 1：1 的體積比，通常稱為合成氣。 合成氣廣泛用於加氫甲醯化反應中形成碳-碳鍵，以生成多種醛類。 產品的區域選擇性通常具有重要的工業意義，芳香族烯烴和乙烯基醚通常主要生產支鏈（B）醛，而脂肪族烯烴主要生產線性（L）產品。
報道了官能化苯乙烯在管中流反應器中的加氫甲醯化反應。 圖7顯示了這些研究中使用的商用流動化學平台的示意圖。 然後利用開發的流動化學平台來評估三種不同催化劑和四種磷配體的效能。 最佳催化劑配體對為Rh（Co）2（ACAC）pH3P，負載量為3 mol%。 65 °C 和 25 bar 的工藝引數也顯示出高轉化率和選擇性，醛區域選擇性為 92：8 b l，轉化率為 57%。 該研究還表明，使用1：1的甲醇-甲苯混合物作為反應溶劑，並在停留時間為58分鐘的35ml盤管反應器中執行，轉化率提高到93%，選擇性提高到94：6公升。 在這些反應條件下測試並報告了不同苯乙烯底物的庫。 此外，還發展了一種通過鈀催化的芳基碘與乙烯氣體交叉偶聯來流動製備功能化苯乙烯的合成策略。 該系統被證明可以與連續流加氫甲醯化模組協同執行。 在最近的一項研究中，開發了一種自動化微尺度流動化學平台，用於研究烯烴的均相加氫甲醯化反應。 流動化學平台是用計算機控制的液體處理器開發的，用於試劑、內標和淬滅溶液的定製配方和進樣。 開發的流動化學平台製備了 11 公升樣品，並將其注入馬蹄形管內流動反應器中。 然後搖晃反應塞設定的反應時間，同時通過可滲透的內管壁（Teflon AF-2400）暴露於合成氣中。 反應塞的振盪運動使停留時間和流速解耦，從而可以在改變反應時間的同時保持混合和傳質特性。 採用[rhh（co）（pph3）3]催化劑配體研究了反應時間對加氫甲醯化反應產率和區域選擇性的影響。 在 90 的溫度和 6 bar 的壓力下，20 min時獲得最大轉化率為90%，選擇性為12。該研究還表明，1-辛烯的異構化具有明顯更快的途徑，並且反應的區域選擇性在4 min後穩定。研究發現，過量的配體會影響催化劑的配位平衡，抑制底物的異構化。 此外，據報道，在催化劑中加入H2是速率決定步驟。 發現反應速率相對於氫的分壓是一階的。 與三苯基膦相比，已觀察到膦配體的甲基和甲氧基取代對支鏈產物具有更高的選擇性。
圖7苯乙烯加氫甲醯化工藝化學平台示意圖。
在過去的十年中，使用特氟龍 AF2400 防水透氣膜的不同配置的管式套管流反應器已被用於各種氣液反應的實驗室規模研究。 儘管在管中流反應器中工業相關氣液反應的實驗室規模演示取得了一些成功，但這種有前途的流動反應器需要進一步的反應器工程才能過渡到中試規模和大規模有機合成。 使用平行流反應器（橫向擴充套件）或平板膜的大規模連續流合成需要詳細評估，以表徵更大生產規模下的混合和傳質特性。 應該指出的是，在這項工作中，我們僅從工程學的角度考慮了用於進行氣液反應的透氣管的潛在未來發展。
將任何故障（如管破裂）的可能性降至最低，對於確保在化學工業中大規模採用管中管流反應器至關重要。 由特氟龍AF-2400製成的管道的最小厚度為25 m。 這使得管子非常脆弱，應特別小心以避免潛在的破裂。 就管道而言，由於管道的外部壓力較高，破裂最有可能發生在管道較薄的區域。 由於管中管反應器中管的內部和外部是隔離的，因此必須仔細監測或控制兩側的壓力，以確保可靠的啟動和關閉步驟，以確保延長管的使用壽命。 還應該注意的是，在較長的反應器中，氣側和液側之間的壓降差會變得很大，這可能會導致反應堆故障。
僅僅通過使用更長的排氣管來提高反應器的吞吐量可能非常昂貴，雖然管中管流反應器的大多數重要特性（即增強的氣液介面面積和傳質）得以保留，但故障的可能性也很高。 在相對較長的管中流式反應器中，任何一點的故障都可能導致整個反應器的故障。 解決這個問題的一種已經行之有效的策略是連線多個較小的管中管流反應器（管內數策略），其中一台反應器的故障不會破壞整個反應器。 然而，這種橫向擴充套件的管中管流動反應器需要精確的流體分配模組，特別是對於液相。 除了 Teflon AF-2400 的管式幾何形狀外，還可以考慮其他流動反應器和多孔反應器幾何形狀，以提高反應器執行可靠性並最大限度地減少長期反應執行中的故障。 為了開發替代平台，應深入研究氣體滲透率、介面面積和混合等幾種傳輸特性。
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