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(fā)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(xiàn)出更高的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)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(yī)藥、食品添加劑、自由基誘發(fā)劑、液晶材料及非線性光學材料等許多領域。

重氮偶聯(lián)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(huán)上的親電取代反應，生成偶氮化合物。

重氮偶聯(lián)反應面臨的問題

重氮偶聯(lián)反應在傳統(tǒng)批次生產(chǎn)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(chǎn)效率以及批次間的質量不穩(wěn)定。

重氮偶聯(lián)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(chǎn)物的產(chǎn)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(chǎn)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(wěn)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(wěn)定的中間體，批次生產(chǎn)的批量往往較小，使生產(chǎn)效率相對較低，不同批次的產(chǎn)品顏色和性質也可能產(chǎn)生顯著差異。

連續(xù)流反應的破局之道

與間歇式反應器相比，使用連續(xù)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(guī)模和提高安全性。使用連續(xù)流反應器進行重氮偶聯(lián)反應可以避免大量不穩(wěn)定中間體的生成，同時保持高產(chǎn)率。

連續(xù)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(shù)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(xù)流系統(tǒng)能夠更精確地控制反應參數(shù)，如溫度、pH值和反應時間，平推流使物料在反應器內(nèi)部無返混現(xiàn)象，從而提高反應的選擇性和產(chǎn)率。

反應在較小的體積內(nèi)進行，減少了不穩(wěn)定中間體的積累，提高了操作安全性。

連續(xù)流系統(tǒng)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(xiàn)放大生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，避免了傳統(tǒng)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(xù)流中合成了幾種偶氮染料，沒有對反應條件進行優(yōu)化導致產(chǎn)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(xù)流系統(tǒng)的放大，發(fā)現(xiàn)連續(xù)流系統(tǒng)在保持顏料質量方面更具優(yōu)勢，體現(xiàn)在色調和色度并不會因為生產(chǎn)規(guī)模的放大而減弱。

Shukla等人在連續(xù)流系統(tǒng)中以92%和96%的高產(chǎn)合成偶氮染料蘇丹一號和溶劑黃16。與相應的批次生產(chǎn)相比，連續(xù)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(xù)反應來合成顏料紅53，開發(fā)了一種多步驟連續(xù)集成生產(chǎn)系統(tǒng)，用于生成偶氮色淀顏料的重氮化—偶聯(lián)—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(jīng)過工藝參數(shù)優(yōu)化，在總停留時間80 s內(nèi)，重氮化-偶聯(lián)-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(yōu)化前面的重氮化和偶聯(lián)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(lián)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(chǎn)率的影響不大，確定偶聯(lián)反應的最佳條件為停留時間10 s，溫度40 °C，pH 7.5。在此優(yōu)化條件下，偶聯(lián)反應總收率為93.5%，并通過三次重復實驗驗證了結果的穩(wěn)定性。

該重氮化-偶聯(lián)-色淀-晶型轉變過程以連續(xù)流和間歇方式進行，以驗證連續(xù)流系統(tǒng)的優(yōu)勢。發(fā)現(xiàn)在連續(xù)流系統(tǒng)中合成的產(chǎn)品純度為98.2%，而分批合成的顏料產(chǎn)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(xù)）。

結語

連續(xù)流反應器在重氮偶聯(lián)反應中的應用，不僅顯著提高了反應效率和產(chǎn)物質量，還極大地增強了生產(chǎn)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(yōu)化，連續(xù)流技術在偶氮化合物合成中的優(yōu)勢已得到充分驗證。未來，隨著技術的進一步發(fā)展和應用的不斷拓展，連續(xù)流反應有望在更多領域實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，推動偶氮化合物及相關產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。連續(xù)