利⽤流动化学合成含能材料

流动化学被视为一种颠覆性的创新，它扩展了化学的视野并开辟了新的市场可能性。 除了制药应用，流动化学正在扩展到有机金属化学、精细化学品、聚合物、肽、纳米材料和高能材料合成。

流动反应器有助于快速消散在高放热反应期间产生的热量，例如硫酸-硝酸混合、硝化反应或可能的副反应，例如硝基芳族化合物的氧化。 流动反应器中的传热速率可以比间歇反应器快几个数量级，这可以防止产生可能刺激副反应或失控反应发生的热点。

流动化学也非常适合通过实验设计进行优化，这是一种用于优化化学过程的统计方法，可以更全面地研究反应的参数空间，包括交叉因素相互作用。 温度、压力、流速和试剂量等反应参数可以通过系统软件以非常精确和自动化的方式进行控制，并且还可以直接计划一系列实验。

到目前为止，含能材料（即dynamite、推进剂和烟火）的工业生产一直以传统的批处理为主。 尽管安全实践有所改进，但民用和军用市场的含能材料的生产和加工过程中仍会发生事故。 许多烈性dynamite的制造主要通过硝化来完成，因为大多数是硝基化合物。 硝化是将硝基 (-NO2) 引入有机化合物的放热化学过程，此步骤会带来较高的安全风险。 然而，流动化学的固有优势正在吸引能量学材料界的兴趣，因为它具有提高能量材料生产的安全性、可重复性和效率的潜力。

我们可以预期流动化学将在新化合物的选择、优化和合成自动化的趋势中发挥核心作用。 在含能材料领域，作为广泛举措的一部分，更广泛地采用流动化学有助于提高dynamite生产的安全性。

对于某些合成过程，流动化学本质上比分批合成更安全。 出于这个原因，作为广泛举措的一部分，更广泛地采用流动化学可能有助于提高含能材料生产的安全性。

高能材料是一类重要的化合物，含有大量储存的化学能。 高能材料可以释放热量并在某些刺激（如冲击、冲击或热量）下施加高压。 dynamite有两大类：高能dynamite（如 TNT 或 RDX 等分子dynamite）和低能dynamite（主要是推进剂，如火药或无烟火药）。 高能dynamite可以进一步分为敏感的初级dynamite（用于起爆或点燃其他含能材料）和次级dynamite（需要更强的起爆刺激，例如爆破帽）。 此外，在二次爆炸中，可以区分所谓的助推dynamite。 最后一组是三次高能dynamite（最不敏感的dynamite，需要额外装药才能引爆）。

许多烈性dynamite的制造主要通过硝化来完成，因为大多数是硝基化合物。 硝化是将硝基 (-NO2) 引入有机化合物的放热化学过程，此步骤会带来较高的安全风险。 据报道，在极端情况下，在批次硝化之后，管道中的少量dynamite就会爆炸 [Held, 2012]。 由于dynamite作为战略材料的重要性，硝化过程通常分批进行，通常在大型工厂中进行。

含能材料领域的发展趋势是开发能够提高工艺安全性、产量、选择性、质量和降低基础设施成本的方法。 流动化学吸引了很多人的兴趣，特别是（但不仅是）与当前的批处理相比，它具有提高安全性的潜力。 例如，流动化学有助于安全使用高温。 流动反应器有助于快速消散在高放热反应期间产生的热量（高表面体积比），例如硫酸-硝酸混合、硝化反应或可能的副反应，例如硝基芳香化合物的氧化。 流动反应器中的传热速率可以比间歇反应器快几个数量级，这可以防止产生可能刺激副反应或失控反应发生的热点。

事实上，大多数分子dynamite理论上可以分批合成或连续硝化合成 [Urbanski, 1964]、[Agrawal & Hodgson, 2007] 和 [Meyer et al., 2007]。 与分批合成相比，连续流动系统可以按需生产少量产品，几乎没有过量。 此外，连续流反应器可用于单步反应或多步过程，其中模块以可重新配置的组合相互连接以产生所需的最终产品。 可以更精确地控制工艺条件，从而实现出色的再现性和安全性。

1、硝基化合物-Nitro compounds

硝化是分子芳族烈性dynamite生产中非常常见的工艺，因其长期的军事应用而闻名。 高浓度（即发白烟）硝酸或所谓的混合酸（将硝酸添加到硫酸中）是通常用于硝化过程的硝化剂。 硫酸充当硝化的抑制剂或调节剂。 这是因为芳族化合物的硝化是酸催化的。 它涉及硝鎓离子nitronium ions (NO2 + ) 的亲电取代。 这些离子是在硝酸的酸催化电离过程中形成的，它们充当活性物质。 然而，芳香族化合物的硝基衍生物用于各种其他工业领域，不仅是dynamite（见下图）。

图1、.主要⼯业硝化产品 [来源：Russo, 2017]

例如，芳香族化合物的硝基衍生物用于生产许多肥料、杀虫剂、染料、香水、药物或活性药物成分 (API)。几乎 65% 的 API 在整个过程中至少需要一个硝化步骤。此外，传统的芳族硝化通常采用分批或半分批方法，其中反应物的混合和反应本身进行得非常缓慢 [Kulkarni, 2014]。通常，进行多硝化反应需要更酸性的硝化混合物和更高的温度，这是生产大多数分子dynamite的情况。出于这个原因，可能会引发危险的副反应，例如放热副反应和不需要的 NOx 气体的快速形成。这种气态产物的形成会立即给反应器加压并导致所谓的热爆炸。灾难性的热失控场景是由化学反应系统的热量产生超过热交换系统的散热能力的情况引起的。在实际硝化工艺条件下，硝基化合物（包括dynamite生产）总是以不同异构体、酸和杂质的反应混合物形式存在，这进一步增加了爆炸的风险（降低了它们的热稳定性）。由于这些原因，硝化过程是化学工业中进行的最危险的化学操作之一。

寻求一种更安全的方法来生产多硝化化合物（例如dynamite）是一个非常活跃的研究领域，流动化学似乎特别有前途。 对于产品数量有限、成本高、制造复杂性不成问题的小规模反应尤其如此。 例如，最近在中国，南京炼油厂有限责任公司报告了在工业硝化过程中使用 G4 型先进流动反应器 (AFR)（由康宁制造），从而减少了生产足迹并提高了安全性 [康宁，2022 ]

早在 1950 年代就有报道应用连续流动微反应技术进行硝化反应 [Kappe et al., 2020]。 从那时起，连续流动中的硝化反应受到了极大的关注，主要是由于提高了安全性。 较小的操作体积、广泛的传热和多种生产材料可以适应极端的硝化反应条件（例如，高压和高温、爆炸反应的风险）。

芳烃的硝化是一个重要的过程，因为它们是最知名的次要分子dynamite的前体。事实上，其中一些过程已经在微反应器中进行了研究 [Burns, 2002], [Antes et al. 2003]、[Panke，2003] 和 [Halder 等人，2007]。使用微反应器可以在本身不安全的乙酸酐混合物中安全地进行甲苯硝化。 2005 年开发了一种由 PTFE 和钽制成的耐腐蚀微反应器，用于不同的硝化反应 [Henke & Winterbauer, 2005]。由于模块化结构，该微反应器可以很容易地适应工业工厂中可能遇到的条件。在大多数情况下，结果可以直接放大，不需要中试规模的工厂。此外，萘的硝化在微反应器中成功进行 - 温度和反应速率比间歇模式高得多 [Kulkarni, 2014]。那不勒斯帕萨诺普大学对苯甲醇和苯甲醛在微反应器中硝化为硝基苯甲醛进行了另一项有趣的研究 [Russo, 2017]。结果表明，使用连续流动微反应器可以在均相和非均相条件下以安全的方式进行反应，且停留时间相对较短。其他单位研究人员还使用全自动流动化学系统将 2,4-二硝基甲苯 (DNT) 硝化为克级 2,4,6-三硝基甲苯 (TNT) [Kyprianou 等人， 2020]。

文献中报道了通过流动硝化过程合成现代二次高能dynamite 2,6-diamino-3,5-dinitropyrazine-1-oxide (LLM-105) [Zuckerma等, 2015 ]。 LLM-105 是一种相对较新的、不敏感的杂环高能化合物，是一种重要的军用次级dynamite，具有出色的热稳定性。它首次在美国通过使用三氟乙酸 (TFA) 在室温下氧化 2,6- diamino-3,5-dinitropyrazine (ANPZ) 合成 [Pagoria, 1998]。然而，在实践中，通过经典合成路线合成这种dynamite的前体（ANPZ）是相当困难的。因此，该报告的作者使用了DAPO 工艺，其中 LLM-105 是通过使用 90% 的硝酸对 DAPO（2,6-diaminopyrazine-1-oxide）进行硝化并泵送通过商业微反应器系统来合成的。最终产品表现出高纯度，并且该过程具有极强的可重复性。此外，与分批模式相比，总合成时间减少了，并且不需要在 10% 发烟硫酸中使用危险的 100% 硝酸或硝酸盐。此外，微反应器消除了放热失控反应的可能性，使整个过程更加安全。

Graz连续流合成与处理中心 (CCFLOW) 的团队进行了另一项值得注意的研究 [Kappe et al., 2020]。 在这项研究中，高浓度硝酸（发烟，99%）和发烟（发烟硫酸）硫酸（在某些情况下与乙酸或乙酸酐一起）被用作硝化剂。 这种方法使作者能够开发一种可扩展的连续流动方法，用于 4-fluoro-2-methoxyaniline（一种用于生产治疗非小细胞肺癌的药物的关键 API）的乙酰化和硝化。 通过使用更大的流动反应器，该过程成功地从实验室转移到中试规模。 在该研究期间进行的反应通常非常快速且放热。 此外，一些用于硝化的混合物（特别是 HNO3/H2SO4 与乙酸酐）会形成高度爆炸性的乙酰硝酸盐 (CH3C(O)ONO2)。

最近的一份报告描述了使用微通道法合成爆炸性 TATB（1,3,5-triamino-2,4,6-trinitrobenzo），即由硼硅酸盐玻璃制成的微反应器 [Weifei et al., 2020 ]。 TATB 是一种耐热dynamite，具有非常低的爆轰敏感性和高热稳定性。 该装置分为三个相互隔离的模块，以避免危险源的耦合并降低过程风险。 该合成包括几个关键和危险的步骤（如硝化），并涉及使用危险试剂（如浓硝酸），但最终证明是传统批处理方法的有吸引力的替代方案。

还有一些关于使用微反应器合成具有商业价值的其他液态硝基dynamite（或其他液态硝酸酯及其衍生物）的专利。 最早的一个来自德国（由 Dynamit Nobel GmbH 公司申请）。 该专利已在世界范围内公布，涉及一种生产液态硝酸酯（例如硝化甘油）的方法，其中多元醇通过硝酸化酸进行酯化，反应在一个或多个微反应器中进行 [Türcke, 2012]。 另一个例子是关于链烷二醇单硝化的有效方法的美国专利。 据称，该过程对于操作员来说是易于控制和安全的 [Francescutti, 2008]。

德国普芬茨塔尔弗劳恩霍夫化学技术研究所 (ICT) 的研究人员发表了一份关于硝化甘油制造的有趣报告。 他们进一步开发了一种在定制微反应器工艺中更安全地生产硝化甘油（上述专利由同一团队详细阐述）以及其他液体硝酸酯dynamite（例如乙二醇二硝酸酯ethylene glycol dinitrate，EGDN）的方法 [Türcke，2012]。 这些微反应器连续工作； 基础材料通过微小的通道流入装配线上的反应室。 在这里，它们相互反应几秒钟，然后通过其他通道进入第二个微反应器进行纯化。 ICT 的研究人员已经为许多其他化学过程建造了反应器——不仅用于制造dynamite。 一个例子是生产用于有机发光二极管 (OLED) 的聚合物的微反应器，这种聚合物常见于显示器和监视器中。

Fraunhofer ICT 的经验可以追溯到 20 年前，通过微反应器中的硝化过程生产其他高能化合物。 N,N’-dialkyl substituted在微反应器中的硝化就是此类工作的一个例子 [Antes 等人，2001 年]。 该工艺是生产 DNDA 脂肪族硝胺（二硝基二氮杂烷dinitrodiazaalkanes）的关键步骤，可用作高能粘合剂的组分（以2,4-dinitrodiazapentane，2,4-dinitrodiazahexane和3,5-dinitrodiazaheptaneunder的低共熔混合物的形式），称为 DNDA57）[Antes 等人，2012 年]。 该物质 DNDA57 已由德国公司 DynITEC GmbH 进行商业生产。

最近在 FOI（瑞典国防研究机构）采用了一种使用先进流动化学系统的类似方法来生产 TEGDN（三甘醇二硝酸酯triethylene glycol dinitrate），它是dynamite和推进剂配方中有用的高能增塑剂 [Ek，2021]。 在另一份报告中，北京理工大学的中国研究人员十年前在基于芯片的微反应器中以高产率合成了 TEGDN [Han et al., 2010]。 他们使用硝酸和硫酸的混合物，发现二甘醇的最佳硝酸/酒精摩尔比为 5，三甘醇为 4，三甘醇二硝酸酯的产率超过 86%。

最后，与微反应器耦合的微流控振荡器最近成功用于重结晶、晶体生长和制备HNS (2,2′,4,4′,6,6′-hexanitrostilbene) 和 HMX 复合dynamite [Zhao et al. , 2018]。

2、多氮化合物（Polynitrogen compounds）

四唑Tetrazoles，特别是5-substituted tetrazoles（一种五元氮杂化合物）是一类重要的含氮杂环，广泛用于合成高密度能源材料，如推进剂和dynamite。目前合成这些化合物的方法通常繁琐、危险，并且会产生杂质。例如，5-硝基四唑钠二水合物5‐nitrotetrazolate dihydrate (NaNT) 是一种有用的前体化合物，可用于合成无铅起爆药 [Klapötke, 2017]。其他四唑衍生物（例如 5-硝基四唑铵5-nitrotetrazolate）被认为是新一代富氮高能材料，其通常具有低灵敏度和良好的能量特性（例如高爆速和压力）的特点。此外，它们相对更容易合成，特别是与例如五唑类（非常敏感）相比。因此，许多四唑衍生物（例如双四唑）是有趣的候选物，可作为环境友好的二次高能dynamite找到应用。与传统的高能物质不同，它们不是通过分子碳主链的氧化来获取能量，而是通过它们的高（相对）热来获取能量 [Klapötke, 2017]。这是因为氮原子之间的三键 (N2) 比其他化合物中的 N-N 单键或双键更有活力。

从 5-氨基四唑5-aminotetrazole合成 NaNT 的最有效方法涉及形成具有潜在危险的四唑-重氮中间体。然而，许多重氮盐是热不稳定的并且对摩擦和冲击敏感（这是商业生产仍未真正扩大规模的原因）。 2005 年在麻省理工学院实现了通过使用相对安全的方法（例如连续微反应器技术）合成 5-硝基四唑钠 5-nitrotetrazolate的首批方法之一 [Kralj 等，2005]。该方法随后获得了 Pacific Scientific Energetic Materials Corporation 的专利 [Renz et al., 2007]。在他们的工艺中，硝基四唑钠的制备是通过氨基四唑、硝酸和亚硝酸钠反应形成第一反应产物，然后将该中间产物与碱反应形成硝基四唑钠。这种方法避免了极不稳定的重氮四唑化合物的形成。整个过程在环境温度下在连续流动系统中进行。 Pacific Scientific Energetic Materials 进一步改进了该工艺（并获得了专利），该工艺的危害性更小，从而实现了更高效、更大规模的制造工艺 [Bragg et al., 2016]。

麻省理工学院的另一个研究小组报告了一种安全、高效和可扩展的流动合成 5 取代四唑5‐substituted tetrazoles的方法 [Palde & Jamison, 2011]。作者证明，与叠氮酸 (HN3) 相关的危害基本消除，避免了对冲击敏感的金属叠氮化物，如 Zn(N3)2，残留的 NaN3 与 NaNO2 一起淬火。这种方法似乎是一种更安全的合成四唑替代方法，无需事先生成高危 HN3 及其随后与腈类 (R-C≡N) 的反应。作者强调，他们的新流入工艺优势（例如高产率、最少的 HN3 生成和短反应时间）是可能的，因为这些反应是在高温（190°C）下进行的。反过来，这一关键反应因子是可行的，因为整个过程在 NMP（NMethyl-2-pyrrolidone）和水混合物中流动，并且没有 HN3 可以积累到爆炸水平的顶部空间。作者还声称，由于该过程是在流动中进行的，因此该方法可以按比例放大以制造更大量的 5-取代四唑5-substituted tetrazoles。

最近的一份报告描述了在南特大学进行的用于合成 5-取代-1H-四唑5-substituted 1Htetrazoles的有效连续流动工艺 [Le Grognec 等人，2020 年]。 在这种新颖的方法中，作者在聚合物负载的有机锡叠氮化物（原位生成，然后固定在填充床反应器中）和有机腈之间进行了流动反应，在最后一步中获得了缬沙坦。 此外，根据作者的说法，该方法相当简单且相对较快（因为它需要长达 15 分钟），并保证产品中锡残留的浓度较低（<5 ppm）。 缬沙坦(Valsartan )是一种用于治疗高血压的药物； 然而，该工艺也可用于制造其他四唑衍生物，包括烈性dynamite。

3、叠氮化物和styphates

自19世纪末发现以来，叠氮化物因其高反应性和作为有机合成中间体的有用性而被开发。 各种化学生产过程都依赖于有机和无机叠氮化物的使用，包括药品、新型火箭推进剂和农用化学成分的生产。 一些有机和无机叠氮化物具有很强的爆炸性，因为叠氮基具有高能量（由于 N≡N 键）。 由于分子氮的形成，微量的酸或某些金属盐可能会催化它们的爆炸性分解。 此外，许多叠氮化物（尤其是无机叠氮化物）对热和冲击刺激具有很高的敏感性。

2011 年的一篇论文描述了小体积和高度受控的反应条件如何使连续流动微反应器成为合成有机叠氮化物等潜在爆炸性化合物的理想系统 [Delville 等人，2011 年]。 作者使用小规模（半自动）连续流动装置，使用咪唑-1-磺酰叠氮化物盐酸盐 imidazole-1-sulfonyl azide hydrochloride作为重氮转移试剂，从苄胺生产苄基叠氮化物。 此外，还进行了反应优化（使用实验设计）以及将实验放大到克级。

奥司他韦（Oseltamivir）以 Tamiflu 品牌销售，是目前由 Hoffmann-La Roche 生产的一种抗流感药物。达菲的大多数合成路线都涉及潜在的爆炸性叠氮化物化学。因此，开发可大规模采用的可替代的、安全的达菲合成工艺具有极大的兴趣。一篇相对较新的论文描述了在流动化学系统中使用具有潜在危险的叠氮化物中间体来合成达菲 [Sagandira & Watts, 2019]。当使用合适的微反应器系统时，可以解决与使用叠氮化物中间体（作为叠氮化剂）相关的安全问题。作者采用两步法，在热控流动微反应器中使用各种叠氮化剂。叠氮化物中间体在完全转化下安全合成，分离产率大于 89%。此外，一些反应似乎相对容易扩大规模，使微反应器技术成为合成Tamiflu达菲的可行工具。

荷兰公司 InnoSyn [InnoSyn, 2021] 报告了另一项关于流动中叠氮化物化学的研究。他们的方法有助于安全使用叠氮化钠来制造其他潜在危险（爆炸性）成分，例如三唑和四唑。这些分子功能部分（尤其是唑类）经常出现在新的 API 中，或者用作具有高能官能团硝基 (-NO2)、硝基 (-ONO2)、亚硝基 (-NNO2) 和硝基氨基 (-NH–NO2) 的有吸引力的杂环骨架) 以取代传统上使用的高性能dynamite。然而，它们的生产和在间歇过程中单独使用叠氮化钠可能会带来重大的安全问题。这是因为叠氮化钠具有剧毒，容易形成更致命的HN3，而且许多金属叠氮化物对冲击敏感且易爆。由于没有危险混合物的积累，流动化学似乎是许多涉及使用这种危险试剂的合成的特别好的方法。

另一项研究 [Gutmann 等人，2012 年] 描述了 HN3 的原位生成，其要么来自与乙酸混合的叠氮化钠水溶液进料，要么来自与甲醇在连续流动反应器中混合的纯叠氮化三甲基甲硅烷基。 作者声称，尽管 HN3 具有爆炸性，但该过程可以在非常高的温度下安全地进行，并且产率相对较高。

重金属叠氮化物是众所周知的初级强力dynamite。 叠氮化铅 (Pb(N3)2) 在各种爆破帽和雷管中的使用历史悠久，可能是军事和商业部门使用最广泛的初级dynamite。 更敏感的是叠氮化银 (AgN3)，由于其高成本和光敏特性，它在实际应用中的使用并不多。 最近的一项研究表明，通过使用类似微反应器的结构，快速制备具有改进物理性能的叠氮化银是一种安全有效的方法的可行性。 作者利用微流体平台制备了“超混合复合dynamite” [Chen et al., 2020]。

埃因霍温理工大学最近的另一份报告描述了使用流动化学系统，该系统涉及危险重氮盐的两步合成，这是一种敏感的爆炸性化合物 [Kuijpers 等人，2020]。 这种危险的中间体化合物可以随后反应掉以产生重氮染料。 该研究是在流动中进行的多步反应的一个例子，并令人信服地展示了如何处理危险的中间体。 敏感的重氮盐在第一步中生成，并立即在亲电取代反应中反应消失。 此外，研究涉及使用廉价且易于操作的毛细管微反应器，并且每个实验中只有一个注射泵。

苯乙烯酸，尤其是它的一些金属盐也是爆炸性物质。 Styphnates 对冲击和摩擦非常敏感，尤其是在干燥时。 这就是为什么它们中的一些被用作典型的初级dynamite（例如，用作底火）。 聚苯硫酚特别有效，因为只需要少量的这种初级dynamite就可以引起爆燃到起爆的转变，因此具有悠久的使用历史。 中国南京理工大学的团队几年来一直在通过分段流合成方法优化合成苯并苯二甲酸铅（barium and Lead trinitroresorcinate）[Zhou et al., 2016], [Zhou et al., 2016] al., 2020] & [Zhao et al., 2017]。 他们使用微反应器系统的方法证明了这些危险离子材料的连续、安全和有效合成的潜力。

4、过氧化物和过酸（Peroxides and peracids）

关于使用流动化学设备生产具有工业意义的某些有机过氧化物的各种研究。 然而，有机过氧化物的合成和处理伴随着各种挑战和需要解决的安全问题。

弗劳恩霍夫 ICT-IMM 和联邦研究所的一项联合研究工作描述了使用配备孔型插件的简单毛细管微反应器合成过氧新戊酸叔丁酯 (TBPP) 和过氧-2-乙基己酸叔丁酯 (TBPEH) 材料研究与测试 (BAM) [Illg 等人，2016 年]。 这些物质是聚合过程（例如乙烯和苯乙烯聚合）的催化剂。 后一种过氧化物特别敏感，通常必须与惰性固体一起储存或运输以减轻爆炸危险。

一些有机氢过氧化物是液体dynamite，例如过氧化甲乙酮（2,2-二氢过氧丁烷），也称为 MEKP。这种化合物是一种高效的催化剂，被聚合物工业广泛使用。然而，这种透明液体在纯净时对热、摩擦、冲击、火焰或其他点火源非常敏感，在生产、储存和运输方面存在风险。这就是为什么商业甲基乙基酮过氧化物是化合物的混合物并且通常以含有约 60% 过氧化物的混合物与邻苯二甲酸二甲酯混合供应的原因之一。华东理工大学已经证明，MEKP 可以在微反应器中用中等浓度的过氧化氢以高通量合成，用于现场和按需生产 [Zhang et al., 2010]。作者还研究了酸浓度、停留时间、进料速率和比例以及反应温度对收率的影响。他们表明，在优化的条件下，反应可以在几秒钟内完成，产物中残留的甲基乙基酮（MEK）低于 2%，质量活性氧分数高于 22%。符合工业应用标准。

还有其他研究使用微反应器系统和过氧化氢作为合成其他不稳定化合物的反应物。印度国家理工学院最近的一份报告描述了使用康宁先进流动反应器 (AFR) 合成过甲酸 (PFA) 的实验方法 [Gaikwad 等人，2017 年]。 PFA 是一种无毒化学品，常用于化学、医疗和食品工业。它也是一种非常不稳定和易爆的化学物质，因为即使是 50% 的溶液也具有高度反应性，因此必须在 12 小时内使用。 PFA 的加工和运输是有风险的（由于自动加速和不受控制的反应），因此使用微反应器生产它可能是有利的。作者研究了不同参数的影响，例如温度、流速（停留时间）、催化剂和反应物浓度。先进流动反应器体积小，可提供强化微尺度连续工艺的全部优势，但能够满足工业规模生产。该研究证明了与间歇反应器相比，在低温下以最佳反应条件获得最大转化率的可行性。通过微反应技术生产有机过氧化物的方法也是欧洲专利局专利的主题 [Azzawi et al., 2006]。

最后，发现催化微反应器在从氢和氧直接合成过氧化氢方面表现出非凡的活性 [Ranganathan & Sieber, 2018]。过氧化氢是一种重要的化学物质，也是一种浓缩（或纯）形式的高能材料。它是通过蒽醌氧化工艺在工业上生产的，该工艺非常耗能，因此不环保。因此，对从其元素成分直接合成过氧化物进行了大量研究。然而，使用微反应器直接合成过氧化物的困难之一是将金属催化剂掺入这种反应器的管道中。一种解决方案可能是将 Au-Pd 合金掺入二氧化硅涂层的毛细管微反应器的壁上。设计的创新之处在于催化颗粒是通过逐层自组装在微反应器壁上原位形成的，从而产生多层催化剂。通过使用这种方法，研究人员能够以 40% 的 H2 转化率和 70% 的选择性生产 210 mol H2O2/(kgcat·h)。

5、高能离子液体（Energetic ionic liquids）

离子液体是一类熔点低于 100 °C 的非分子离子化合物。 这些化合物是液态盐，因此它们不需要任何其他溶剂（事实上，它们可以成为一些挥发性有机溶剂的环保替代品）。 这类化合物还包括高能离子液体，它们是一种相对较新的dynamite和火箭推进剂。 具有相对高温高能离子液体通常由咪唑（imidiazole）或 1,2,4-三唑盐（1,2,4-triazole salts）以及四唑衍生物组成 [Klapötke, 2017]。 这些化合物作为新一代稳定的高能材料和单推进剂，特别是作为自燃、火箭推进剂，引起了人们的极大兴趣。

越来越多的研究描述了成功实施用于离子液体合成的微反应器技术。 连续运行的微反应器系统可用于大规模合成离子液体，这有时对分批工艺来说是个问题。 例如，烷基化步骤有时容易发生热失控反应，因此可能是一个限制步骤 [Waterkamp et al., 2007]。

据报道，使用连续运行的微反应器系统 [Waterkamp 等人，2007 年] 可以更深入地合成 1-丁基-3-甲基咪唑溴化物1-butyl-3-methylimidazolium bromide ([BMIM]Br)。 使用这种微反应器系统，作者甚至能够在高温（高达 85°C）下对强放热烷基化过程进行热控制，从而在无溶剂环境中获得高反应速率。 获得的产品纯度高于 99%。 与传统的批处理过程相比，所取得的结果表明空间-时间-产量增加了 20 多倍。

美国国防部计划使用现成的微反应器设备制造高能离子液体，然后将其转移到化学工业 [美国国防部，2017 年]。 目标是开发一种安全、低成本和连续生产高能离子液体的方法，并合成在混合时可生产 AF-M315E（先进火箭自燃液体单推进剂）的原材料。

6、爆炸性的挥发性化合物（Explosive volatile compounds）

半透性聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 膜在充分应用于微反应器系统时可以分离两个相邻的通道，通常一个包含液相，另一个包含气相。 最近，这种方法能够就地和按需产生许多爆炸性气体、有毒气体或挥发性化合物。

例如，重氮甲烷是一种极其敏感的爆炸性和有毒气体。 然而，它也是有机化学中一种有价值且用途广泛的介质。 它用于从羧酸制备甲酯、酮或羧酸的同系化（Arndt-Eistert 反应）和环丙烷化反应。

文献 [Struempel et al., 2008] 报道了从市售前体 Diazald 中释放出重氮甲烷。 二氮杂 (N-methyl-N-nitroso-p-toluenesulfonamide) 用作重氮甲烷的相对安全且易于处理的前体。 本研究使用了市售的微反应器（Little Things Factory GmbH，ST-MI018 型，0.12 mL 内部体积）。 该解决方案能够将重氮甲烷原位转化为所需产品，避免处理和储存爆炸性重氮甲烷溶液，从而使该介质可用于精细化工领域。

三氟甲基重氮甲烷是一种爆炸性、毒性和高挥发性化合物，是有机合成（用于引入三氟甲基）的宝贵试剂。 已经表明，它可以在管中管反应器中由相应的胺和亚硝酸钠水溶液制备 [Kappe & Pieber, 2016]。 作者假设类似的方法可用于氰化氢 (HCN) 的制备——使用氰化钠 (NaCN) 和硫酸的水溶液。 此外，相信这个概念可以以相对简单的方式扩展用于原位产生用于有机合成的其他气体。

在最近的出版物 [Hone & Kappe, 2020] 中讨论了使用膜微反应器按需生成、分离和反应多种气体。 他们的工作包括一氧化碳、重氮甲烷、三氟甲基重氮甲烷、氰化氢、氨和甲醛等危险气体。 单通道微反应器主要用于气液反应。 具有异常大表面积的半透膜允许分离气体和低分子量化合物。 膜对于确保气体产生和消耗发生在两个单独的通道中是必要的。 作者声称，该概念对于将来用于有机合成的“难以处理”的气体特别有用。

微反应器技术无疑提供了处理其他危险化合物的优势，例如非常易挥发和有毒的化合物。 以前出于安全原因被认为风险很大的合成，例如涉及肼、光气或氰化物的合成，可能会使用流动化学技术以相对较低的风险进行。 一个例子是从肼和分子氧合成二亚胺（二氮烯） [Fanelli et al., 2017]。

7、总结

流动化学被视为一种颠覆性的创新，它扩展了化学的视野并开辟了新的市场可能性。 除了制药应用，流动化学正在扩展到有机金属化学、精细化学品、聚合物、多肽、纳米材料和高能材料合成。

与传统的批量合成相比，流动化学提供了许多潜在的好处。 例如，流动反应器有助于快速消散在高放热反应（例如硫酸-硝酸混合、硝化反应或可能的副反应（例如硝基芳族化合物的氧化））过程中产生的热量（高表面体积比） . 流动反应器中的传热速率可以比间歇反应器快几个数量级，这可以防止产生可能刺激副反应或失控反应发生的热点。

流动化学也非常适合通过实验设计进行优化，这是一种用于优化化学过程的统计方法，可以更全面地研究反应的参数空间，包括交叉因素相互作用。 温度、压力、流速和试剂量等反应参数可以通过系统软件以非常精确和自动化的方式进行控制，并且还可以直接计划一系列实验。

迄今为止，dynamite生产领域一直以传统的批处理为主。 然而，流动化学的固有优势正在引起人们的兴趣，因为它有可能提高含能材料生产的安全性、可重复性和效率。我们回顾了 40 多篇关于应用流动化学合成高能材料（即dynamite、推进剂和烟火）的出版物。 所涉及的化合物包括硝基化合物、多氮化合物、叠氮化物、styphnates、过氧化物、过酸和高能离子液体，大约四分之三的出版物来自过去 10 年。

展望未来，我们可以期待流动化学工艺在新化合物的选择、优化和合成自动化的趋势中发挥核心作用。 我们预计流动化学也将在某些高能材料的工业生产中得到更大规模的应用，从而有助于提高工艺的安全性。

来源：Flow chemistry and the synthesis of energetic materials

doi:10.2760/097972