偶氮化合物（AZO）是一類以偶氮基（─N=N─）為核心結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物，其通式為R─N=N─R’。偶氮基作為發(fā)色團(tuán)，賦予化合物特殊的光學(xué)性質(zhì)，使其成為染料、指示劑等領(lǐng)域的關(guān)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(jìn)一步增大，表現(xiàn)出更高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，良好的光學(xué)性能和溶解性，使得芳香偶氮化合物被廣泛地應(yīng)用于有機(jī)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(xué)材料等許多領(lǐng)域。

重氮偶聯(lián)反應(yīng)（Azo coupling reaction）是制備偶氮化合物的常用方法，包括兩個(gè)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(jìn)行芳環(huán)上的親電取代反應(yīng)，生成偶氮化合物。

重氮偶聯(lián)反應(yīng)面臨的問題

重氮偶聯(lián)反應(yīng)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(yīng)時(shí)間、相對較低的生產(chǎn)效率以及批次間的質(zhì)量不穩(wěn)定。

重氮偶聯(lián)反應(yīng)是一種放熱反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)釋放大量的熱量，使用釜式反應(yīng)器時(shí)通常需要在快速攪拌和緩慢添加重氮鹽溶液的情況下進(jìn)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(zhì)會(huì)導(dǎo)致釜式反應(yīng)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(yīng)物濃度等，導(dǎo)致不良結(jié)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(fēng)險(xiǎn)，釜式反應(yīng)器較大的持液體積進(jìn)一步提高了危險(xiǎn)性。

由于強(qiáng)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(zhì)也可能產(chǎn)生顯著差異。

連續(xù)流反應(yīng)的破局之道

與間歇式反應(yīng)器相比，使用連續(xù)流反應(yīng)器有幾個(gè)明顯的好處，包括增強(qiáng)的熱質(zhì)傳遞、可重復(fù)性、可快速擴(kuò)大規(guī)模和提高安全性。使用連續(xù)流反應(yīng)器進(jìn)行重氮偶聯(lián)反應(yīng)可以避免大量不穩(wěn)定中間體的生成，同時(shí)保持高產(chǎn)率。

連續(xù)流反應(yīng)器具有更高的傳熱和傳質(zhì)效率，通常是釜式反應(yīng)器的數(shù)百倍，可以有效處理放熱反應(yīng)，移出反應(yīng)熱量，避免局部過熱導(dǎo)致的副反應(yīng)。

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

反應(yīng)在較小的體積內(nèi)進(jìn)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(qiáng)化反應(yīng)條件，縮短反應(yīng)時(shí)間，并通過并行擴(kuò)展多個(gè)小型反應(yīng)器來快速實(shí)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(yīng)用案例

早期研究中，Wootton等人于2002年報(bào)道在連續(xù)流中合成了幾種偶氮染料，沒有對反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化導(dǎo)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(zhì)量方面更具優(yōu)勢，體現(xiàn)在色調(diào)和色度并不會(huì)因?yàn)樯a(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(hào)和溶劑黃16。與相應(yīng)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(xué)辛忠教授及其團(tuán)隊(duì)通過四步連續(xù)反應(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)中間體的問題。經(jīng)過工藝參數(shù)優(yōu)化，在總停留時(shí)間80 s內(nèi)，重氮化-偶聯(lián)-固溶-晶型轉(zhuǎn)變工藝合成顏料紅53的總收率達(dá)到97.1%。

在初始研究中，HPLC證實(shí)所有染料在最終的著色反應(yīng)中都已轉(zhuǎn)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(yīng)來提高總收率。采用三因素三水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，考察了反應(yīng)時(shí)間、溫度和pH值對偶聯(lián)反應(yīng)的影響，證明影響程度最大的是溫度和pH值，停留時(shí)間對產(chǎn)率的影響不大，確定偶聯(lián)反應(yīng)的最佳條件為停留時(shí)間10 s，溫度40 °C，pH 7.5。在此優(yōu)化條件下，偶聯(lián)反應(yīng)總收率為93.5%，并通過三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了結(jié)果的穩(wěn)定性。

該重氮化-偶聯(lián)-色淀-晶型轉(zhuǎn)變過程以連續(xù)流和間歇方式進(jìn)行，以驗(yàn)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(jié)語

連續(xù)流反應(yīng)器在重氮偶聯(lián)反應(yīng)中的應(yīng)用，不僅顯著提高了反應(yīng)效率和產(chǎn)物質(zhì)量，還極大地增強(qiáng)了生產(chǎn)過程的安全性和可重復(fù)性。從早期的初步探索到如今的工藝優(yōu)化，連續(xù)流技術(shù)在偶氮化合物合成中的優(yōu)勢已得到充分驗(yàn)證。未來，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的不斷拓展，連續(xù)流反應(yīng)有望在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，推動(dòng)偶氮化合物及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。連續(xù)