微化工技术连续合成β-紫罗兰酮的方法与流程

本发明涉及假性紫罗兰酮环化合成β-紫罗兰酮的方法，具体涉及利用微化工技术连续生产β-紫罗兰酮的方法。

背景技术：

工业合成胡萝卜素、类胡萝卜素、维生素A及其衍生物一般需要从现有可得的化学品出发进行合成。紫罗兰酮作为合成维生素A及其衍生物的中间体衔接了石化产品和日化产品。从石化产品异丁烯出发，可以经由Prins反应、加氢异构反应、氧化脱氢反应和酸催化缩合-裂解-重拍一系列反应合成柠檬醛，随后柠檬醛与丙酮在碱性条件下发生Claisen-Schmidt缩合反应得到中间体假性紫罗兰酮，假性紫罗兰酮在酸性介质中发生环化反应，生成紫罗兰酮。根据碳-碳双键位置的不同紫罗兰酮分为α-紫罗兰酮、β-紫罗兰酮及γ-紫罗兰酮。其中以α和β两种异构体为主，α-紫罗兰酮主要应用于香料调配及合成下游香料，如大柱三烯酮等产品中；β-紫罗兰酮在医药工业中大量应用于维生素A和β-胡萝卜素及在香料调配及突厥酮类的合成中。紫罗兰酮可以用于配制木香或果香较重的香料，用途广，需求量大，产品潜力巨大。异丁烯合成紫罗兰酮的反应式如下：

传统的β-紫罗兰酮合成工艺通常采用间歇式反应器，并在持续搅拌下将假性紫罗兰酮缓慢加入到有机溶剂和浓硫酸的混合物中进行环化反应，因为在合成过程中除有机溶剂外，还有定量的浓硫酸存在，因此该反应是一个液-液反应过程。由于反应釜内的微观混合差且不均，使得反应本身受液-液两相传质控制从而影响反应的进行及反应的选择性。另外，假性紫罗 兰酮的环化反应是一个强放热反应，其总包反应热高达120kJ/mol，传统的釜式反应器很难将反应热及时的移除，从而导致工艺操作存在很大的风险。

针对此，德国专利DE.3328440及美国专利US006140542A提出了在室温或者多级温度控制的条件下由假性紫罗兰酮和硫酸瞬时接触生产β-紫罗兰酮的方法，但是该方法需要特殊设备、条件控制困难。中国专利CN1508113也提出了利用环化反应时加入干冰降低反应温度提高β-紫罗兰酮纯度的方法，该方法可使最终产物中β-紫罗兰酮的含量≥96％。虽然该方法实验室小试时能表现出较好的效果，但大规模生产时则会有如下缺点：(1)加入干冰的操作复杂，使得生产成本和难度增加；(2)环化过程中要迅速移走反应热，否则反应选择性和产量大幅降低。

CN101781183A中介绍了采用α-环柠檬醛和丙酮为合成原料，以氢氧化钠水溶液为催化剂，在氮气保护下搅拌反应，反应结束后采用酸中和反应，减压蒸馏收集85-89℃/1mmHg馏分。虽然此方法可以从α-环柠檬醛直接得到β-紫罗兰酮产物，不需要克服硫酸催化的强放热环化反应，但α-环柠檬醛的合成过程复杂，需要将柠檬醛用一级或二级胺保护醛基，在酸存在下低温环化，水解脱胺得到环柠檬醛，或者臭氧氧化紫罗兰酮制得环柠檬醛，因此应用潜力较小。

假性紫罗兰酮在浓硫酸催化下的环化反应属于一个典型的液-液非均相反应。液-液非均相反应作为化学工业中的一类重要过程，泛指互不相溶两相物料在反应器内分别形成连续相和分散相的传递及反应过程。此类反应或主要发生在分散相或连续相或两相界面，但其反应速率通常取决于传质过程，受两相界面面积及界面动态行为影响极大，而传热速率大小往往决定其选择性优劣和反应过程的安全顺利进行与否。

因此，必须从微化学工程角度出发，设计、加工合适的微反应器用于连续合成β-紫罗兰酮的工艺。

技术实现要素：

为确保微反应器在低能耗工艺条件下用于β-紫罗兰酮的连续合成，提出以下技术方法。

该方法包括：将溶剂稀释的假性紫罗兰酮和浓硫酸连续地通过一个集成微反应与微换热于一体的微反应器1中，于微反应器通道内进行反应和换热生成β-紫罗兰酮产物。反应混合物料为油包酸的微乳体系，此微乳液再流经一个集成微反应与微换热的微反应器，以相比于进入微反应器1中浓硫酸一定体积比的冰水稀释微乳液以便于后续工段后处理。该方法的主要特征在于，通过微化工的理论模型，针对粘度较高的浓硫酸参与的油/酸两相反应体系，设计垂直T形进样的微反应器，以形成以油为连续相、以 酸为分散相的流动反应体系。所述的溶剂为丙酮、乙腈、环己烷、环戊烷、正庚烷、正己烷、正戊烷、异辛烷、石油醚、二氯甲烷、二氯乙烷、氯仿、四氯化碳、苯或甲苯中的一种或二种以上；溶剂与假性紫罗兰酮的体积配比为0.5：1～20：1。所述的浓硫酸的浓度为50～98wt％；在所述微反应器1内，硫酸与假性紫罗兰酮的反应摩尔配比为0.1：1～10：1，反应温度为0℃～80℃；在所述微反应器2内，淬灭反应所用冰水(0～5℃)与此流动体系中浓硫酸、亦即进入微反应器1的浓硫酸的体积总流量比为1:1-20:1。

本发明所述的方法中，为针对环化反应中的多步反应过程中存在强放热步骤亦存在吸热步骤，且吸热步骤成为控制反应从α-紫罗兰酮向β-紫罗兰酮转化的决定步骤。因此，体系中温度的控制表现得尤为重要。如果反应器混合段温度过热，大量聚合物将生成，严重降低反应收率；如果反应器反应段温度过低，α-紫罗兰酮向β-紫罗兰酮转化减慢，β-紫罗兰酮的收率相应的降低。因此，涉及的微反应器采用两段温度控制，在微反应器混合段选择相对较低的温度0～30℃，而反应段选择相对较高的温度控制在30～80℃。此微化工单元操作微反应与微换热在一系列并行交错集成的微反应通道与微换热通道上进行，这些微反应通道与微换热通道组成微通道反应器，所述微反应器1和微反应器2的结构相同，微反应器1和微反应器2的通道为具有当量直径为0.01-1.5mm间任意的公知尺寸的毛细管式、曲径式、梳式、层叠式、盘片式、环锥式、鱼排式结构，或它们的任意组合。

本发明所述的方法中，由微通道反应器和微通道热交换器构成生产β-紫罗兰酮的微系统，该微系统的压降为0～0.5MPa，优选在0～0.2MPa压降下运行。该参数可降低对原料泵的要求，同时减少动力消耗。

本发明的有益效果

本发明在低的硫酸与假性紫罗兰酮摩尔进料比、和室温条件下，反应收率达到80～85％。相比于釜式反应工艺浓硫酸用量降低25％～40％，浓硫酸物耗量的减少缩减了后续处理的成本，同时，极大地节约了釜式反应工艺中的低温能耗。本发明为合成紫罗兰酮时的原料成本控制和过程节能方面提供了新路子。

附图说明

图1为本发明对应的工艺流程图(其中阀体V1为背压阀、V2为三通式分配器、V3为汇聚式三通)

图2、微反应器1与2的通道板正面视图，其中1为进料口，2为微反应器混合区(分级混合)，3为微反应器的反应段，4为微反应器的出料口，5为微反应器的基板。

具体实施方式

本发明通过以下非限制性实例进行具体阐述。

设备及流程：下列实施采取图1所示为微反应器的核心层，不锈钢316L材质加工而成5(附图2)，其上有两个进料口1和一个出料口4，每个进料口1设置若干分支进口通道，且两个进料口1应有相同数量的分支出口通道，分支进口通道的汇合点进入微反应器的反应段3，因此反应通道的数量与进口通道的分支数相同。通道板的两个进料口1在板的同侧时，分支通道重叠，在板的异侧时，则只有一个原料的进料口1与反应通道处于一个平面内，那么另一个原料的分支进口通道的末端需通过微孔折回反应通道侧与前一物料混合。进料口1微通道的设计根据两股物料的流量确定，以保证两股流体的流动压力降相近。微反应器中除核心层外，还包括一系列并行交错集成的微反应通道与微换热通道，这些微反应通道与微换热通道上分别进行微反应与微换热两个微化工单元操作，微反应通道与微换热通道具有当量直径为0.01-1.5mm间任意的公知尺寸；微通道反应器采取错流的反应-换热模式。该装置所涉及的微通道热交换器为独立的换热设备，主要作用是为体系控制温度，微通道热交换器采取逆流传热形式。

过程与操作：采用预先配制好的有机溶剂溶解的假性紫罗兰酮和浓硫酸为原料，分别采用实验室用活塞泵输送，并采用单向阀控制微混合压力不稳导致的倒流，然后接入微反应器1，微反应器1前端采用0-20℃的循环水流经局部微换热区来移走浓酸与有机溶剂溶解的假性紫罗兰酮混合产生的混合热和反应热，微反应器1后端采用20-80℃的循环水以确保反应混合体系中的α-紫罗兰酮向β-紫罗兰酮的转化。微换热通道也为微小尺寸，冷却水进水管道内需设置过滤器，除去水中杂质避免堵塞微通道。

取样与分析：于两级微反应系统(微反应器2)出口处接受流出反应液，此反应液为水淬灭的反应混合水油微乳液，为一呈乳状的紫红色液体，向此液体中加入二氯甲烷，移入分液漏斗中，分出有机层。对水相加入少量的二氯甲烷，反复萃取。合并有机相，向有机相中加入无水硫酸钠除水。滤出滤液，旋干溶剂得粗产物重量。取少量粗产物将其溶于定量乙腈中，配制成分析液，进气相色谱测试粗产物纯度。根据色谱结果，结合β-紫罗兰酮的外标曲线计算出粗产物纯度。对粗产物收率及粗产物纯度做乘积得到β-紫罗兰酮的收率。

为了进一步了解本发明的结构、特征及其目的，请参阅一下有关本发明的附图及具体实施例的详细说明：

实施例1：

将二氯甲烷/假性紫罗兰酮体积比为1/1的混合物，以及95～98wt％的浓硫酸，分别以2.2mL/min和1.7mL/min的流量，同时用柱塞泵输入置于集成温度控制装置的微反应器1中，微反应器1的通道体积为0.283mL，反应器1前端反应温度控制在20℃，反应器1后端温度控制在60℃。该微反应器的通道的通道结构为鱼排式结构。微反应器1后端引入微反应器2，用以引入淬灭水进行反应淬灭，从而通过控制反应停留时间得到反应混合物，淬灭水的体积流量与硫酸体积流量控制在大于3:1的范围内。接流出液3.5min，得一呈乳状的紫红色液体，向此液体中加入二氯甲烷，移入分液漏斗中，分出有机层。对水相加入水相体积1/5的二氯甲烷，反复萃取。合并有机相，向有机相中加入无水硫酸钠除水。滤出滤液，旋干溶剂得粗产物3.77g。取粗产物0.104g将其溶于7.47g乙腈中，配制成分析液，进气相色谱测试粗产物纯度。根据色谱结果，结合β-紫罗兰酮的外标曲线计算β-紫罗兰酮的收率为87.1％。

实施例2：

将二氯甲烷/假性紫罗兰酮体积比为1/1的混合物，以及95～98wt％的浓硫酸，分别以4.3mL/min和2.7mL/min的流量，同时用柱塞泵输入置于集成温度控制装置的微反应器1中，微反应器1的通道体积为0.283mL，反应器1前端反应温度控制在20℃，反应器1后端温度控制在60℃。该微反应器的通道的通道结构为鱼排式结构。微反应器1后端引入T形微混合器，通径为1.2mm，用以引入淬灭水进行反应淬灭，从而通过控制反应停留时间得到反应混合物，淬灭水的体积流量与硫酸体积流量控制在大于3:1的范围内。接流出液2.42min，得一呈乳状的紫红色液体，向此液体中加入二氯甲烷，移入分液漏斗中，分出有机层。对水相加入水相体积1/5的二氯甲烷，反复萃取。合并有机相，向有机相中加入无水硫酸钠除水。滤出滤液，旋干溶剂得粗产物6.6g。取粗产物0.115g将其溶于7.68g乙腈中，配制成分析液，进气相色谱测试粗产物纯度。根据色谱结果，结合β-紫罗兰酮的外标曲线计算β-紫罗兰酮的收率为82.3％。

实施例3：

将二氯甲烷/假性紫罗兰酮体积比为1:1的混合物，以及95～98wt％的浓硫酸，分别以10mL/min和5.6mL/min的流量，同时用柱塞泵输入置于集成温度控制装置的微反应器1中，微反应器1的通道体积为0.283mL，反应器1前端反应温度控制在20℃，反应器1后端温度控制在50℃。该微反应器的通道的通道结构为梳式结构。微反应器1后端引入微反应器2，用以引入淬灭水进行反应淬灭，从而通过控制反应停留时间得到反应混合物，淬灭水的体积流量与硫酸体积流量控制在大于3:1的范围内。接流出液1.05min，得一呈乳状的紫红色液体，向此液体中加入二氯甲烷，移入分液漏斗中， 分出有机层。对水相加入水相体积1/5的二氯甲烷，反复萃取。合并有机相，向有机相中加入无水硫酸钠除水。滤出滤液，旋干溶剂得粗产物5.62g。取粗产物0.113g将其溶于7.74g乙腈中，配制成分析液，进气相色谱测试粗产物纯度。根据色谱结果，结合β-紫罗兰酮的外标曲线计算出β-紫罗兰酮的收率为72.6％。

将溶剂稀释的假紫罗兰酮和浓硫酸连续地通过一个集成微反应与微换热于一体的第一微反应器中，在微反应器通道内进行反应和换热生成产物β-紫罗兰酮。反应混合物料为油包酸的微乳液体系，微反应器对液-液两相反应传质起到强化传质的作用。此微乳液流经第二微反应器，以水稀释淬灭反应。本发明通过微通道技术能强化传质、精确控制反应参数，β-紫罗兰酮收率可达80～85％。