最近經(jīng)?？吹礁骷移髽I(yè)在招聘微化工方向的人才，由于高校尚未普及流動化學教學，很多學生對這一塊不熟悉，市場也缺乏大量能熟練應用微反應做工藝條件的高校畢業(yè)生，導致化工、制藥、新材料等領域的企業(yè)長期在招聘廣告上尋找這類人才，可謂是求賢若渴。據(jù)了解，同等條件的情況下，熟練掌握微反應連續(xù)流技術的畢業(yè)生，薪資待遇都會高出不少。
微反應連續(xù)合成技術是化工學科的前沿方向之一，將該技術應用到化學合成和轉(zhuǎn)化中可以減少反應器體積，提高過程效率和選擇性，提高過程安全性。在安全和環(huán)保要求越來越嚴的大背景下，微化工連續(xù)合成技術得到了越來越多的關注。
歐世盛公司推出的流動化學教學平臺，基于微反應連續(xù)合成技術，通過實驗表征，可幫助學生理解微反應器內(nèi)微尺度效應。通過模擬實驗，可幫助學生了解實際微反應連續(xù)合成過程，初步掌握微反應器連續(xù)合成操作，加深學生對該技術的理解。
基礎版教學平臺
基礎版教學平臺可作為學生教學演示裝置，實現(xiàn)溫和狀態(tài)下演示教學實驗為其基本功能，實際應用中需要對教學實驗進行設計。平臺常用配置如下：
高級版教學平臺
高級版教學平臺可應用于更多的復雜條件下的微反應器內(nèi)連續(xù)合成反應。平臺常用配置如下：
應用案例
在此介紹埃因霍溫理工大學教學中使用的兩個流動化學教學性實驗，一個實驗涉及合成熱影響重氮鹽，這些重氮鹽隨后可以反應生成重氮染料(溶劑黃7)。第二個實驗涉及硫醇的有機-水兩相氧化成二硫化物，并提供分段流動的初步認識。這兩個實驗具有相對較低的危險和較為廉價的實驗成本，而且能夠在實驗中盡量多的接觸到不同的流動化學設備和毛細管式反應器，幫助實驗者加深理解。
實驗1：在連續(xù)流中合成中間體7
中間體7的合成包括兩個步驟，通過重氮化以生成相應的重氮化合物，隨后與苯酚發(fā)生重氮偶連反應，生成重氮染料。這是一個典型的多步反應，并且其間會生成危險的重氮中間產(chǎn)物。雖然重氮中間產(chǎn)物具有一定的爆炸危險性，但是由于在連續(xù)流中，中間產(chǎn)物一直被反應成為終產(chǎn)物，所以提供了實驗的本質(zhì)安全性。所有起始反應物選擇了較為廉價的苯胺、苯酚和亞硝酸鈉，且濃度均在較低的水平(0.01 mol/L)，這進一步提高了反應的安全性。
圖1 溶劑黃7合成實驗
整個反應分為兩步。第一步反應在酸性條件下進行，在鹽酸環(huán)境中，苯胺和亞硝酸鈉反應，生成重氮鹽中間產(chǎn)物。第二步反應在堿性條件下進行，使用過量氫氧化鈉中和鹽酸形成堿性環(huán)境，重氮鹽中間產(chǎn)物和苯酚生成終產(chǎn)物溶劑黃7。具體的反應物濃度參照圖1b。兩組反應在PFA毛細管中進行。
具體實驗步驟如下：
1)如圖1b所示，將反應器連接，并將反應器連接到注射泵上。
2)調(diào)整不同反應物的濃度，依次吸入注射泵。使其在流速相同的情況下使得反應物能夠以合適的量進入反應器。
3)推動注射泵進行反應。在合適的停留時間分別在出口取樣，時間依次為15s, 30s, 45s, 60s, 90s, 120s, 150s和300 s。
4)將取樣的樣品稀釋，使用紫外-可見分光光度計，依次讀取400nm吸光值。計算出產(chǎn)物濃度。
5)分析結(jié)果，計算出反應動力學常數(shù)k。
6)建立理論模型，計算出達到99%的轉(zhuǎn)化率所需的停留時間。
7)進一步采集實驗數(shù)據(jù)，驗證理論模型。
在分析計算中，可以應用到如下的等式：
利用ln(1/(1-X))與t的正比關系，擬合趨勢線，進行分析計算，如圖2所示。最終計算出達到99%的轉(zhuǎn)化率的停留時間，大于等于1024s。得到理論模型曲線之后，可以進一步將其他采集的數(shù)據(jù)點帶入到模型中，分析模型可信度。
圖2反應停留時間數(shù)學分析
在本實驗中，可以讓實驗者建立對于流動化學的初步認識，學習如何建立流動化學實驗的反應步驟和分析方法。請注意，雖然流動化學實驗中處于反應狀態(tài)的中間產(chǎn)物可能只有幾毫升，危險系數(shù)較低，但實際實驗中仍要多注意安全。
實驗2：在流動化學條件下進行辛硫醇的二聚反應
辛硫醇的二聚反應，可以在流動化學條件下實現(xiàn)。這一流動化學實驗最大的特點，是進行一個液-液非均相反應。微反應器管路內(nèi)，有機相和水相不互溶，分隔為不同的液段，并充分接觸。做為一個典型的有機相合成反應，在此選擇了辛硫醇二聚反應的原因在于，驅(qū)動這一反應進行的條件要求并不高。相比于其他需要光化學驅(qū)動或電化學驅(qū)動的反應而言，辛硫醇二聚反應只需要一定量的氧化劑就可以驅(qū)動，因此無需設置復雜的反應器結(jié)構。
圖3辛硫醇二聚反應實驗
圖4在辛硫醇二聚實驗中可以觀察到的液體分段現(xiàn)象
具體實驗步驟如下：
1)以含有1%摩爾分數(shù)的I2的乙酸乙酯作為溶劑，配置0.1mol/L的辛硫醇溶液。另外準備質(zhì)量濃度10%的過氧化氫。
2)將兩種溶液如圖3所示吸入注射泵中，并依圖3連接流動化學裝置。
3)推動注射泵，使得液體混合。在反應器內(nèi)部可以觀察到，因兩種液體不互溶而發(fā)生的液體分段現(xiàn)象。
4)完全反應需要的停留時間大約在5min左右。
5)拋棄前四個反應器體積的產(chǎn)物，待反應體系達到穩(wěn)態(tài)后開始收集足量用于檢測的產(chǎn)物(大約20mL)。
6)小心的在分液漏斗中使用0.2mol/L的硫代硫酸鹽清洗產(chǎn)物溶液。這一過程是為了消耗過量的碘的反應，需注意反應過程中的放熱。
7)輕輕晃動溶液使得有機相與水相分離。利用分液漏斗分離有機相，并再使用硫代硫酸鹽清洗有機相兩次。
8)有機相使用硫酸鎂干燥并蒸發(fā)。獲得高純度產(chǎn)物，并計算產(chǎn)率。
在實驗過程中可以對微反應器中的分段液態(tài)現(xiàn)象多加觀察，這是在液液非均相反應中的常見現(xiàn)象。其分段狀態(tài)如圖4所示。整個實驗過程足以在4小時內(nèi)完成。在計算產(chǎn)率的過程中，有時會出現(xiàn)產(chǎn)率大于100%的情況，這可能是由于未能完全移除溶劑造成的結(jié)果。請注意，雖然流動化學實驗中處于反應狀態(tài)的中間產(chǎn)物可能只有幾毫升，危險系數(shù)較低，但實際實驗中仍要多注意安全。
以上兩個實驗集中體現(xiàn)了流動化學的幾個優(yōu)勢：其一，快速反應。許多反應在反應時需要數(shù)小時甚至數(shù)天的時間，而應用流動化學技術，可以將這一過程加速到幾分鐘甚至更短。這也是非常有利于實驗課程的進行，而不必過多調(diào)整學生的時間。第二，反應和反應環(huán)境的安全性。在流動化學實驗中，同一時間處于反應狀態(tài)的反應物的量是很小的，這使得反應和反應環(huán)境處于一個安全的狀態(tài)。第三，實驗者可以借此對反應中的一些基礎轉(zhuǎn)運現(xiàn)象有更加深入的理解，像質(zhì)量轉(zhuǎn)運和熱轉(zhuǎn)運。這在多相反應中尤為重要，特別是氣液反應和液液非均相反應。
結(jié)束語
教育領域啟動的設備更新方案明確指出，要支持服務高校人才培養(yǎng)、學科建設、科學研究的重大教學科研儀器設備。開展流動化學教學，對于高校培養(yǎng)微化工人才以及進行流動化學方向的學科建設和科學研究有重大意義。在流動化學技術應用日益廣泛的背景下，讓流動化學走進高等院校，走進實驗室，走向本科生教育，已是大勢所趨。
我們可根據(jù)院校的實際情況提供不同的流動化學教學平臺配置方案，還可根據(jù)教學需要增配全自動加氫反應儀和高壓氫氣發(fā)生器，為高校院所建設連續(xù)流實訓基地提供支持。
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