康宁新型臭氧进料系统结合在线检测成功实现臭氧化反应的工艺优化和放大

研究背景与简介

臭氧化反应在有机合成过程中是非常重要的一类具有较高产率的快速反应，副反应少。但由于臭氧的毒性和高危险性（容易剧烈分解产生氧气^[1]，反应温度难于控制，容易爆炸）其使用在合成工业中的应用受到限制。

连续流技术的应用与发展使臭氧化反应实现安全放大生产成为可能。但是在该放大过程中，尤其是压力条件下，如何实现本质安全的臭氧连续化进料成为困扰大家的重要难题之一。

本文将向读者介绍来自康宁欧洲技术ZXPhilippe M. C. Roth博士团队ZX的研究成果：应用新型本质安全臭氧进料系统结合康宁G1微通道反应器，成功进行β-蒎烯臭氧化反应的工艺优化及实验室放大。

研究进展

一、臭氧进料系统 OZONE DOSING LINE

图1. 臭氧进料系统 OZONE DOSING LINE

Philippe M. C. Roth博士等人首先研发出了一套本质安全一体化臭氧进料系统（ OZONE DOSING LINE)原型机。该系统包括臭氧发生器、压缩机和流量控制器（其内部材料不与臭氧发生反应），可以连续提供10%wt的臭氧和10巴的压力，设计紧凑密闭具有本质安全属性，大大提高臭氧化反应的产率和反应可行性。特点如下：

●阀门、泵、管道、压缩机以及变压器配件等均选用防氧化、防腐材质避免泄漏

●系统与通风口柔性连接（空气流量为150 m3/h，比臭氧/氧气流量高800倍），臭氧发生器与单独的排气系统相连，可在通风柜外运行

●自动化控制。流量控制，臭氧发生器的调节和数据采集通过计算机进行，确保臭氧的原位生产和原位反应，并且不在体系中积累

●研究者对此系统进行了严格的安全风险评估，制定了详细的风险管理实施细则包括：紧急处理措施、臭氧量暴露水平、臭氧与高压氧气混合、臭氧/氧气与易燃溶剂混合、过氧化氢处理等确保设备具备全方面预防控制措施

二、β-蒎烯臭氧化反应研究

图2. β-蒎烯臭氧化反应方程式

1、实验装置

图3. β-蒎烯臭氧化实验装置示意图

康宁G1反应器（三温区)，产物出口安装气液分离器，并通过Magritek核磁共振（NMR）对结果进行实时在线分析。通过验证压力的恒定和转化率（核磁测定结果）保持稳定来验证系统是否达到稳定状态。

图4. β-蒎烯臭氧化实验装置实物图

2、反应条件优化

研究者在反应温度20℃和压力10 bar下分别对臭氧的浓度，物料比和停留时间进行了反应条件的优化：

●对转化率影响ZD的是臭氧和β-蒎烯的物料比，物料摩尔比大于1:1时，反应均能接近100%转化

●臭氧的浓度和停留时间对转化率没有影响

●物料流速除影响单位时间内的产量之外，对转化率的影响也可以忽略

图5. β-蒎烯臭氧化实验反应条件优化结果

3、放大实验

在物料摩尔比为1:1的条件下，增加β-蒎烯的浓度至0.1M，流速至37.5 mL/min，臭氧浓度6.95%wt下，流速1862 mL/min，反应器持液体积45 mL，停留时间12s，每小时可获得16.2g的产量。

相对于已有报道^[3]中每小时0.24g的产量，67倍的线性放大运行平稳，没有产生放大效应。

结果与讨论

●康宁欧洲技术ZXRoth博士等成功开发出了一套臭氧进料系统，该系统可以在压力条件下进行安全、高通量连续流动臭氧化反应。

●该系统可以实现臭氧的原位制备原位消耗避免了中间运输或转化环节的危险。

●臭氧化反应从间歇式转化为更GX、安全的连续过程是可行。

●康宁G1反应器超高的气液混合能力和无缝放大技术优势，结合该臭氧进料系统可以进行更大流量范围的臭氧化反应研究与生产。

Reference：

[1]Batakliev, T.; Georgiev, V.; Anachkov, M.; Rakovsky, S.; Rakovsky, S. Ozone Decomposition. Interdiscipl. Toxicol. 2014, 7, 47−59.

[2]Nguyen, T. L.; Peeters, J.; Vereecken, L. Theoretical study of the gas-phase ozonolysis of β-pinene (C10H16). Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11, 5643.

[3]Irfan, M.; Glasnov, T. N.; Kappe, C. O. Continuous Flow Ozonolysis in a Laboratory Scale Reactor. Org. Lett. 2011, 13, 984−987.