专利名称：固相反应合成化合物的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及化合物的合成方法，具体涉及一种固相反应合成化合物的方法及其装置。
背景技术：
目前，环境污染、能源过度消耗对地球及人类带来的危害已经越来越大。人们在发展经济的同时也在积极面对怎样克服对环境的污染，保护我们的生态平衡。近十几年来，由于传统的化学反应在溶液或气相中进行，其反应需要能耗高，时间长，污染环境严重以及工艺复杂，因此越来越多的人将目光投向曾经被人类很早就利用过的固相化学反应。固相反应指那些有固态物质参加的反应。也就是说，反应物必须是固态物质的反应，才能称为固态反应。固相反应不用溶剂，具有高选择性、高产率、工艺过程简单等优点，是人们制备新型固体材料的手段之一。包括经典的固-固反应，也包括固-气反应和固-液反应。可见，所有固相化学反应都是非均相反应。但长期以来，由于传统的固相反应材料主要涉及一些高熔点的无机固体，如硅酸盐、氧化物、金属合金等，这些材料一般都具有三维网络结构、原子间隙小和牢固的化学键等特征，固相合成反应多在高温下进行，先将反应材料煅烧，再用球磨机磨细，使其发生反应，该方法的缺点是1、高温煅烧能耗大；2、球磨物理加工过程长，成本高；3、磨球磨损带来杂质，产品纯度低；4、应用范围狭窄，仅限于高熔点无机固体，不能用于低熔点无机物，尤其是有机物。
发明内容
由于传统固相反应存在的种种缺陷，本发明提出一种新的固相反应技术路线微波辅助超音速气流下的固相化学合成法。该方法将传统单纯用于无力粉碎的超音速气流粉碎法与微波固相化学反应进行有机结合，利用流体力学原理，以超音速气流作为载体，实现反应物料在超音速气流作用下的高速碰撞、混合以及高表面积接触，同时完成产物的超细化等多个过程为一体，从而实现了固相反应的快速进行。微波辅助下的超音速气流固相反应研究在吸取传统固相合成的优点同时，还弥补了其过程可控性差、难以实现工业化生产、 易引入杂质等不足，适应了微纳米科技对固相反应研究的需要，对推动我国绿色化学合成技术的发展，实现固相合成反应的产业化具有重要意义。本发明的技术解决方案是
一种固相反应合成化合物的方法，包括步骤
①将固体反应物混合，用高速载体气流加速至超音速，使其具有很高动能；
②在固体反应物的运动途中设置微波场，固体反应物穿越该微波场，增强反应物分子热运动，提高活性；
③在微波场内设置固定靶，高速运动的固体反应物撞击该固定靶，动能转化为内能， 分子化学键断裂，分解为离子，阴、阳离子重新组合成键，合成目标化合物。
3
所述步骤③进一步包括步骤
A.高速运动的固体反应物循环撞击固定靶，被逐渐粉碎至分子级粒径；
B.分子级粒径的固体反应物与耙头高速碰撞，动能转化为内能，分子化学键断裂，分解为离子，阴、阳离子重新组合成键，合成目标化合物。所述超音速是1-4倍音速。所述载体气流是空气、二氧化碳、氮气、氧气、氦气、氩气之一种。一种固相反应合成化合物的装置，包括固相反应器、载体气流供给装置、微波装置，所述微波装置包括微波发生器、微波发射头、屏蔽罩，所述固相反应器布置在屏蔽罩内， 该固相反应器是靶式反应器，由耙头和靶框组成，耙头位于靶框内；所述耙头具有一个主进气口，一个反应物进口，一个反应物循环出口，一个反应物循环进口，该反应物循环出口通过管道连通反应物循环进口 ；载体气流供给装置分三路管道向耙头供气，其中，一路连通反应物进口，用于将反应物送入耙头，另一路连通反应物循环进口，用于将循环反应物送入耙头，再一路连通主进气口，用于将反应物/和循环反应物加速至超音速。所述耙头和靶框用工程塑料制成；该工程塑料是聚苯硫醚或聚四氟乙烯。所述载体气流供给装置包括空压站、压缩气体净化装置，该压缩气体净化装置具有油水分离器和干燥器。本发明的有益技术效果是
本发明采用微波辅助下的超音速碰撞固相反应法，突破了传统固相反应的高温局限， 可在常温下进行，为合成化合物提供了一条新的技术路线，应用范围广阔，且反应速度快， 收率高，成本低廉，经济、环保效果突出。
图1是本固相反应合成化合物装置的一种结构图。
具体实施例方式参见图1 本固相反应合成化合物的装置，主要包括固相反应器、载体气流供给装置、微波装置三大部分，其结构分述如下
固相反应器是靶式反应器，由耙头13和靶框12组成，耙头13位于靶框12内。耙头13 具有一个主进气口 7，一个反应物进口 9，一个反应物循环出口 3，该反应物循环出口 3通过管道连通反应物循环进口 5 ；载体气流供给装置分三路管道向耙头13供气，其中，一路连通反应物进料送气口 10，用于将反应物送入耙头13，另一路连通反应物循环进口 5的送气口 4，用于将循环反应物送入耙头13，再一路连通主进气口 7，用于将反应物和循环反应物加速至超音速。耙头13和靶框12必须透微波且不吸收微波，反应物在微波下加热，由于热传递作用，耙头13和靶框12温度升高，从而必须考虑耙头和靶框材料的熔点，聚苯硫醚、聚四氟乙烯能达到上述要求，故耙头13和靶框12用聚苯硫醚或聚四氟乙烯制造。但最好用聚苯硫醚，聚苯硫醚分子主链由苯环和硫原子交替排列，大量的苯环赋予聚苯硫醚以刚性，大量的硫醚键又提供柔顺性。分子结构对称，易于结晶，无极性，电性能好，不吸水。聚苯硫醚是一种高结晶性芳基硫聚合物，理论密度1. 44g/cm3,熔点250 315°C，分解温度大于480°C， 由于聚苯硫醚的上述特性，熔点高，分子无极性，以至不吸收微波。
微波装置包括微波发射头6和屏蔽罩11，固相反应器布置在屏蔽罩11内，微波发射头6布置在屏蔽罩11的顶部，发射方向朝下，指向固相反应器的耙头13。载体气流供给装置包括空压机1和压缩气体净化装置2，载气流体主要包括空气，二氧化碳，氮气，氧气， 氦气，氩气等。根据反应物的特性选择适合的一种作为载气。高速气流碰撞对气源的含水量是很高的要求，高速气流碰撞方法运用到化学反应，其对气源的含水量要求更高，首先气源含水量过高容易使得颗粒团聚，当颗粒粒径较小的时候团聚越发明显，从而加速了进料口的堵塞。其次有些化学反应会有水的生成，其加大了气源的含水量。气源含水量过高会加快某些反应物的潮解，影响反应的发生。因此，必须保持气源气体尽可能的干燥。故该压缩气体净化装置2应设置有油水分离器和干燥器。本装置能使单一的反应物料连续循环2 h以上，收率稳定。用本装置合成化合物的方法，其步骤及反应机理如下
先将反应物循环进口 5的出料阀门关闭，将固体反应物料混合，从耙头13的进料口 9 加入，由来自送料气口 10的送料气送入耙头13 ；并由来自主进气口 7的载气将固体反应物加速至超音速，与耙头发生碰撞，反应物被粉碎，粒径变小；
被粉碎的反应物经循环出口 3进入反应物循环进口 5，由来自送料气口 4的送料气送入耙头13 ；被载气再次加速，与耙头发生碰撞，粒径进一步变小；同时，反应物在微波辐照下，分子热运动加剧，活性增强；其中，粒径为分子级的反应物与耙头发生碰撞，动能转化为内能，分子化学键断裂，分解为离子，阴、阳离子重新组合成键，合成目标化合物；
当一批原料加完后，关闭进料口 9的阀门，让物料持续循环，直至全部合成目标化合
物；
开启反应物循环出口 3的出料阀门，向主进气口 7持续通入压缩气体，将耙头13中目标化合物吹出。实施例1
对硝基苯基丙二酸亚异丙酯的固相合成
以丙二酸亚异丙酯，对硝基苯甲醛为原料按物质的量比1:1均勻混合，混合物料经负压引射作用进入超音速喷管，在喷管中加速后急剧膨胀产生超音速混合体系，随后在反应器中剧烈摩擦碰撞，最后高速撞击固定靶，再汇同气流以30米/秒的速度进入循环系统，反应体系颗粒沉降，富集再次进入喷管，在反应发生器中循环反应一段时间后取样分析，再用 65°C蒸馏水充分洗涤三遍，抽干，用95%的乙醇重结晶，放入真空干燥器(40°C)干燥他，即得白色的目标产物对硝基苯基丙二酸亚异丙酯。制备对硝基苯基丙二酸亚异丙酯时，主进气口气体压力0.4ΜΡει，微波(1000 w), 反应时间3 min，产率达到92 %。实施例2
对羟基苯基丙二酸亚异丙酯的固相合成
以丙二酸亚异丙酯，对羟基苯甲醛为原料按物质的量比1:1均勻混合，混合物料经负压引射作用进入超音速喷管，在喷管中加速后急剧膨胀产生超音速混合体系，随后在反应器中剧烈摩擦碰撞，最后高速撞击固定靶，再汇同气流以30米/秒的速度进入循环系统，反应体系颗粒沉降，富集再次进入喷管，在反应发生器中循环反应一段时间后取样分析，再用 65°C蒸馏水充分洗涤三遍，抽干，用95 %的乙醇重结晶，放入真空干燥器GO °C)干燥8 h，即得白色的目标产物。制备对硝基苯基丙二酸亚异丙酯时，主进气口气体压力0.2 ΜΡει，微波(1000 w)， 反应时间2 min，产率达到95 %。实施例3 超细碳酸钙的制备。将70目的无水氯化钙(0.1380 kg)和碳酸钠(0.1363 kg)按摩尔比1 1均
勻混合，使其以3倍音速在反应器固定靶上高速碰撞反应，并在反应发生器中循环反应一段时间后，将混合物用蒸馏水充分洗涤3次，再用无水乙醇洗涤2次，干燥，即获得超细碳酸钙。
权利要求
1.一种固相反应合成化合物的方法，包括步骤①将固体反应物混合，用高速载体气流加速至超音速，使其具有很高动能；②在固体反应物的运动途中设置微波场，固体反应物穿越该微波场，增强反应物分子热运动，提高活性；③在微波场内设置固定靶，高速运动的固体反应物撞击该固定靶，动能转化为内能， 分子化学键断裂，分解为离子，阴、阳离子重新组合成键，合成目标化合物。
2.如权利要求1所述的固相反应合成化合物的方法，其特征在于，所述步骤③进一步包括步骤A.高速运动的固体反应物循环撞击固定靶，被逐渐粉碎至分子级粒径；B.分子级粒径的固体反应物与耙头高速碰撞，动能转化为内能，分子化学键断裂，分解为离子，阴、阳离子重新组合成键，合成目标化合物。
3.如权利要求1所述的固相反应合成化合物的方法，其特征在于，所述超音速是1 4倍音速。
4.如权利要求1所述的固相反应合成化合物的方法，其特征在于，所述载体气流是空气、二氧化碳、氮气、氧气、氦气、氩气之一种。
5.一种固相反应合成化合物的装置，包括固相反应器、载体气流供给装置、微波装置， 所述微波装置包括微波发生器、微波发射头、屏蔽罩，所述固相反应器布置在屏蔽罩内，该固相反应器是靶式反应器，由耙头和靶框组成，耙头位于靶框内；所述耙头具有一个主进气口，一个反应物进口，一个反应物循环出口，一个反应物循环进口，该反应物循环出口通过管道连通反应物循环进口 ；载体气流供给装置分三路管道向耙头供气，其中，一路连通反应物进口，用于将反应物送入耙头，另一路连通反应物循环进口，用于将循环反应物送入耙头，再一路连通主进气口，用于将反应物和循环反应物加速至超音速。
6.如权利要求5所述的固相反应合成化合物的装置，其特征在于，所述耙头材质为聚苯硫醚或聚四氟乙烯。
7.如权利要求5所述的固相反应合成化合物的装置，其特征在于，所述靶框用聚苯硫醚或聚四氟乙烯制成。
8.如权利要求5所述的固相反应合成化合物的装置，其特征在于，所述靶框为上下分半结构，上半为靶盖，下半为靶座，通过螺栓连接为整体。
9.如权利要求5所述的固相反应合成化合物的装置，其特征在于，所述载体气流供给装置包括空压站、压缩气体净化装置，该压缩气体净化装置具有油水分离器和干燥器。
全文摘要
本固相反应合成化合物的方法，包括步骤①将固体反应物混合，用高速载体气流加速至超音速，使其具有很高动能；②在固体反应物的运动途中设置微波场，固体反应物穿越该微波场，增强反应物分子热运动，提高活性；③合成步骤A.高速运动的固体反应物循环撞击固定靶，被逐渐粉碎至分子级粒径；B.分子级粒径的固体反应物与耙头高速碰撞，动能转化为内能，分子化学键断裂，分解为离子，阴、阳离子重新组合成键，合成目标化合物。本发明突破了传统固相反应的高温局限，可在常温下进行，为合成化合物提供了一条新的技术路线，应用范围广阔，且反应速度快，收率高，成本低廉，经济、环保效果突出。
文档编号C01F11/18GK102198388SQ201110083748
公开日2011年9月28日 申请日期2011年4月2日 优先权日2011年4月2日
发明者彭汝芳, 李鸿波, 楚士晋, 蔡艳华, 袁邦群, 谭碧生, 金波 申请人:楚士晋