《Chemical Engineering and Processing - Process Intensification》：Reaction-extraction-reaction coupling process: The key role of intermediate product extraction during 5-chloromethylfurfural (CMF) production in the microreactor
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5-氯甲基呋喃（CMF）在果糖两相系统微反应器中通过调控流量比、总流速及停留时间，揭示了CMF选择性（SCMF）与HMF提取效率（EHMF）的线性关联（R2=0.999），提出反应-提取协同策略，实现93.3% CMF产率（11 g/L）和89.9%产率（110 g/L）。
楚浩东|李梦迪|赵伟晨|杨庆茂|沈春|谭天伟
国家绿色生物制造重点实验室，国家生物炼制研发中心，教育部生物炼制工程研究中心，北京化工大学。中国北京市朝阳区北三环东路15号，邮编100029
摘要
在两相系统中从果糖生产5-氯甲基呋喃（CMF）已经取得了相当高的CMF产率。然而，提取过程与CMF产率之间的相关性尚未有报道。本文发现了微反应器中界面比表面积（a）、5-羟甲基呋喃（HMF）的提取效率（E_HMF，CMF的重要前体）以及CMF的选择性（S_CMF）之间的定量关系。首先，我们系统研究了两相流速比（F_C/F_D）、总流体速度（u）和停留时间对S_CMF和E_HMF的影响。结果表明，F_C/F_D和u都对S_CMF和E_HMF有显著影响。此外，u和F_C/F_D也显著影响界面比表面积（a）。随着u的变化，我们观察到u与a（R^2=0.994）、a与E_HMF（R^2=0.997）以及E_HMF与S_CMF（R^2=0.999）之间存在线性关系。这表明在特定条件下，可以通过HMF的提取来控制CMF的选择性。基于这些结果，我们提出了一种在微反应器中从果糖获得高CMF产率的策略。实验中获得了93.3%的CMF产率（果糖浓度为11 g/L）和89.9%的CMF产率（果糖浓度为110 g/L）。据我们所知，这项工作首次提出了CMF生产过程中反应与提取之间的协同作用。
引言
目前，化石燃料仍然是化学工业的主要资源。然而，化石资源的过度开发以及化石碳资源供需之间的差距加剧引发了关于能源危机和环境污染的严重问题，这促使人们需要开发可再生和替代资源[1,2]。木质纤维素生物质被视为一种可再生的替代品，用于生产液体燃料和化学品，因为它储量丰富、成本低廉且碳中性。在开发基于生物的化学品和燃料的合成过程中已经付出了大量努力[[3], [4], [5]]。
5-氯甲基呋喃（CMF）是该两步路线中HDO的关键前体。它是一种在生物炼制中由己糖（葡萄糖、果糖和纤维素）生产的平台分子，其分子结构与5-羟甲基呋喃（HMF）相似[25]。CMF的生产是一个在双相系统中进行的反应-提取耦合过程。如图1所示，CMF是通过己糖（葡萄糖和果糖）的脱水后在双相溶剂系统中进行氯化得到的。在大多数报道中，使用盐酸作为布朗斯特酸催化剂和氯的供体。二氯甲烷或1,2-二氯乙烷通常被选为提取相。
CMF最早是在1901年使用HCl处理碳水化合物时作为产物被观察到的。到目前为止，CMF的高效生产已经取得了显著进展。最初，CMF的合成是在批次反应器中进行的。Mascal等人提出了一种在批次反应器中高效合成CMF的方法[26]。CMF的生产是在H_2O/1,2-二氯乙烷（DCE）或H_2O/二氯甲烷（DCM）双相系统中进行的，催化剂是HCl。首先，通过加热的HCl溶液中的己糖（葡萄糖或果糖）脱水生成5-羟甲基呋喃（HMF），然后对其进行氯化。接着生成CMF并将其提取到有机相中。经过短时间的反应后，分离出水相，并在室温下与新鲜的有机溶剂混合一段时间。之后再次分离出水相，并与新鲜的有机溶剂混合进行下一轮反应。这个过程通常重复2-3次。最终，通过合并提取相（有机溶剂）获得CMF产品。采用这种策略并进行优化后，使用果糖作为反应物时CMF的产率达到85%（使用微晶纤维素作为反应物时产率为83%），这是一个重要的成就[27]。从那时起，关于CMF生产的研究开始出现。相关结果详见表1[[28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39]]。据报道，CMF的产率已经达到了相当高的水平。然而，己糖的浓度较低（约1.0 g/L-10.0 g/L）和有机溶剂的消耗量较大阻碍了CMF生产的进一步发展。此外，多次交替的反应和提取延长了生产周期，从而影响了CMF的高产率。
如上所述，提高CMF的提取效率有助于减少有机溶剂的消耗并提高CMF的产率。高效的CMF提取不仅可以促进CMF的生成，还可以防止其降解。众所周知，微流控过程具有较高的传热和传质速率、足够的流体混合强度、更安全的操作以及更小的占地面积[[40], [41], [42]]。一些研究人员已经在微反应器中尝试生产CMF（见表2）。一方面，已经组装了实验装置并进行了反应条件优化实验。关于微流控CMF生产的首项研究是由Tsanaktsidis等人报道的[43]。他们在HCl/DCM双相系统中从D-果糖中获得了81%的CMF产率。在他们的后续工作中，提出了一种从高果糖玉米糖浆中生产CMF的微流控工艺[44]。在HCl/DCM双相系统中，当糖浓度为100 g/L、反应温度为100°C、停留时间为1.5分钟、水相与有机相的比例为1:1.5时，CMF的产率达到85%。Frank等人[45]报道了一项关于微流控CMF生产的较为全面的研究。他们在90°C下、停留时间为265秒的浓盐酸/茴香醚双相系统中获得了79%的CMF产率。另一方面，他们还报道了在微反应器中从果糖生产CMF的动力学模型。根据动力学研究，副反应的选择性几乎为零，这证实了具有高传质能力的反应器在CMF生产中的重要性。研究发现，果糖转化为CMF的过程仅发生在水相中，而HMF是CMF的前体。此外，他们的工作中使用了CHEM21溶剂选择指南来选择合适的有机溶剂。尽管这些报告中有一些关于两相流速比和总流速变化的实验，但这些工作主要集中在优化CMF产率或动力学研究上。目前尚未研究传质效率/速率对CMF产率的定量影响。也没有关于CMF产率与界面传质（提取）效率之间相关性的全面研究。如果在微反应器中通过增强界面传质来提高CMF的产率，将是一个重要的突破。
在这里，我们研究了微反应器中界面传质效率与CMF选择性之间的相关性。我们研究了HMF（E_HMF）提取效率的影响因素（使用E_HMF而不是E_CMF的原因详见第3.2节）。通过调整这些因素，建立了一个提取效率梯度。然后讨论了E_HMF与CMF选择性（S_CMF）之间的定量相关性。此外，还研究了CMF生产中的“反应-提取-反应”协同机制。最后但同样重要的是，我们进行了全面的优化，获得了相对较高的CMF产率。据我们所知，这项工作是首次详细研究CMF合成过程中反应与传质过程之间的协同作用。我们希望这能为CMF的工业化提供新的方法。
材料与化学品
分析级果糖和HMF从东京化学工业公司购买。分析级二氯甲烷和1,2-二氯乙烷从上海Macklin生化有限公司购买。分析级CMF从Bide Pharmatech有限公司购买。分析级盐酸从北京化学厂购买。分析级正癸烷从上海Aladdin试剂有限公司购买。所有化学品均按收到时的状态使用。
实验装置
实验装置如图1所示。
流速对CMF选择性的影响
两相的混合强度是液-液提取效率的一个敏感因素。在微流控过程中，分散相的滴径通常可以指示混合强度的程度。减小滴径可以显著缩短传质距离，同时显著增加界面接触的比表面积。此外，作用在滴滴上的界面剪切力会在滴滴在连续相中移动时诱导内部循环流
结论
在这项工作中，我们研究了CMF生产过程中反应与提取过程之间的协同作用。首先，我们发现两相流速比（F_C/F_D）、总流体速度（u）和停留时间与CMF的选择性（S_CMF）呈正相关，尤其是F_C/F_D和u。然后我们发现这些变量也对HMF的提取效率（E_HMF）有显著影响。随着不同变量的变化，S_CMF与E_HMF之间的相关性并不恒定。
未引用的参考文献
[51]
CRediT作者贡献声明
楚浩东：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，研究，数据分析。李梦迪：方法学。赵伟晨：方法学。杨庆茂：方法学。沈春：撰写 – 审稿与编辑，方法学。谭天伟：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，方法学。
