偶氮化合物（azo compounds）是一類含有R–N=N–R'結(jié)構(gòu)的有機分子，廣泛應用于染料、顏料、化妝品、油墨、熒光淬滅劑、光敏材料及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。由于其共軛結(jié)構(gòu)，它們通常具有強烈的顏色，是合成染料中最主要的類別，占全球染料產(chǎn)量的60%以上。傳統(tǒng)上，偶氮化合物通過間歇式反應合成，主要包括兩個步驟：芳香胺的重氮化和重氮鹽與富電子芳香族化合物的偶聯(lián)反應。

重氮化反應和偶氮偶聯(lián)反應的反應機理圖。

然而，該過程存在以下問題：

（1）重氮鹽極不穩(wěn)定，易分解甚至爆炸；

（2）反應高度放熱，熱量積聚可能導致副反應；

（3）批次間質(zhì)量不一致，顏色性能波動；

（4）放大困難，設(shè)備體積龐大，安全性差；

（5）環(huán)境污染嚴重，廢水量大。

因此，近年來連續(xù)流動合成作為一種替代技術(shù)，因其在安全性、可控性、放大性和環(huán)保性方面的優(yōu)勢，逐漸成為研究熱點。

連續(xù)流動合成偶氮化合物的基本原理

連續(xù)流動合成通過將反應物以恒定流速泵入微反應器或流動系統(tǒng)中，實現(xiàn)反應條件的精確控制和反應熱的快速移除。其核心優(yōu)勢包括：

 ?  高效熱/質(zhì)傳遞，降低副反應； 

 ?  可控的停留時間和反應參數(shù)；  

?  避免重氮鹽積累，提升安全性；  

 ?  易于放大（通過“numbering-up”而非“scale-up”）； 

 ?  減少溶劑使用與廢液排放。

偶氮化合物（azos）連續(xù)流合成

1.早期探索（2002–2009）?  2002年 Wootton等首次報道了在芯片微反應器中連續(xù)合成三種偶氮染料，驗證了微反應器在偶氮合成中的可行性，但轉(zhuǎn)化率較低（9–52%）。

?  2004年 Wille等對比了間歇釜式放大與微反應器“數(shù)增放大”的效果，發(fā)現(xiàn)批次放大導致顏色強度下降，而微反應器保持一致性，但產(chǎn)量較低（1 kg/h vs 80 kg/h）。

 ?  2005年 Penneman等使用交錯微混合器合成了顏料黃12，發(fā)現(xiàn)粒徑更小、顏色性能更優(yōu)（光澤度提升73%，透明度提升66%）。  

?  2008年 Kockmann等使用T型微混合器合成顏料CLA1433，發(fā)現(xiàn)高流速可減少堵塞，但仍未實現(xiàn)完全轉(zhuǎn)化。

?  2012年 Yu等優(yōu)化了酸性紅1的合成條件，在微管反應器中獲得97%產(chǎn)率，并拓展至5種染料。

?  2015年 Feng等將微反應器引入本科教學，學生自制PDMS芯片成功合成染料，體現(xiàn)了微反應器的可操作性與教育價值。  

?  2015年 Ranade等開發(fā)多相多步流動系統(tǒng)，首次將連續(xù)攪拌釜（CSTR）引入偶聯(lián)步驟，解決堵塞問題，產(chǎn)率達78%。  

?  2016年 Akwi和Watts首次將相轉(zhuǎn)移催化（PTC）與微反應器結(jié)合，使用液-液Taylor流滴系統(tǒng)合成多種偶氮化合物，產(chǎn)率高達99%，并對比了批次與流動系統(tǒng)的優(yōu)劣。   

?  2018年 Wang等系統(tǒng)研究了溫度、流速、pH、停留時間對偶氮染料合成的影響，優(yōu)化后成功合成橙II和甲基橙，產(chǎn)率達95%。  

?  2019年 Wang等進一步優(yōu)化了商業(yè)顏料紅146的合成，采用微篩孔分散反應器，控制粒徑分布，實現(xiàn)>99%轉(zhuǎn)化率，并進行了初步放大研究。 

?  2019年 Wang等提出三股流微混合系統(tǒng)，合成黃14顏料，通過獨立調(diào)節(jié)緩沖液流速，控制pH在4.0–4.3之間，純度提升至94.5%，優(yōu)于兩股流系統(tǒng)。?  2021年 Shi等使用撞擊式混合器與高流速系統(tǒng)合成顏料黃12，產(chǎn)率達98%，粒徑更小，透明度與著色力優(yōu)于批次產(chǎn)品。 

?  2021年 Shukla等首次采用鼓泡塔反應器（bubble column reactor）實現(xiàn)連續(xù)合成Sudan-I與Solvent Yellow 16，產(chǎn)率分別為92%與96%，并進行了技術(shù)經(jīng)濟分析，發(fā)現(xiàn)連續(xù)工藝節(jié)水40%、成本降低4.7倍。

?  2023年 Mao等開發(fā)了四步連續(xù)流工藝合成顏料紅53（P.R.53:1），包括重氮化、偶聯(lián)、成鹽與晶體轉(zhuǎn)化，總產(chǎn)率達97.1%，純度98.2%，粒徑從14 μm降至1.9 μm，顯著優(yōu)于間歇釜式工藝。

偶氮化合物（AZOS）合成影響因素

盡管連續(xù)流動合成在實驗室與小試階段取得顯著進展，但仍存在以下挑戰(zhàn)：

 ?  堵塞問題：顏料顆粒易沉積，導致微通道堵塞，限制連續(xù)運行時間；

 ?  放大困難：微反應器難以直接放大，需采用“數(shù)增放大”策略；

 ?  濃度限制：高濃度體系易析出，需優(yōu)化溶劑系統(tǒng)；  

?  產(chǎn)物分離與純化：連續(xù)收集、過濾、干燥等后處理環(huán)節(jié)尚未完全集成；  

?  缺乏工業(yè)案例：目前尚無成熟的工業(yè)級連續(xù)流動偶氮合成生產(chǎn)線。為推動連續(xù)流動合成偶氮化合物向工業(yè)應用發(fā)展，未來研究可從以下方向深入：

? 開發(fā)抗堵塞反應器：如采用CSTR、鼓泡塔、膜分散器等；

? 優(yōu)化溶劑與濃度體系：通過溶劑篩選與助劑使用提高溶解性；

? 集成化工藝設(shè)計：將合成、分離、洗滌、干燥等步驟集成于連續(xù)系統(tǒng)中；

? 智能優(yōu)化與控制：引入DoE（實驗設(shè)計）、PAT（過程分析技術(shù)）與在線監(jiān)控；? 生命周期與經(jīng)濟性評估：開展LCA（生命周期分析）與TEA（技術(shù)經(jīng)濟分析）；? 示范工廠建設(shè)：推動從實驗室到中試再到工業(yè)示范的轉(zhuǎn)化。

連續(xù)流動合成技術(shù)為偶氮化合物的安全、高效、綠色制造提供了新路徑。盡管當前仍面臨堵塞、放大、濃度限制等挑戰(zhàn)，但其在實驗室與小試階段已展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。隨著反應器設(shè)計、工藝集成與智能優(yōu)化的不斷進步，連續(xù)流動合成有望在未來取代傳統(tǒng)批次工藝，成為偶氮染料工業(yè)的主流制造方式。

McCormack, A.T., Stephens, J.C.

 The continuous flow synthesis of azos.(2024).

https://doi.org/10.1007/s41981-024-00307-2