引言
巯基乙酸甲酯是一种无色透明油状液体，溶于水，有蒜素臭味。它是合成医药、农药、食品香料和烟用香料的重要中间体，可作为有机锡热稳定剂、高分子聚合物分子量调节剂。多元巯基乙酸甲酯还可作为环氧树脂低温固化剂，光学镜片和制造胶粘剂等。目前的巯基乙酸甲酯生产合成方法主要以巯基乙酸和甲醇为原料，以硫酸为催化剂的间歇合成法，该工艺存在收率低、反应时间长及设备腐蚀严重等多方面的问题。因此，寻找一种高效巯基乙酸甲酯合成工艺是很有必要的，微通道反应器连续合成巯基乙酸甲酯研究就是在此背景下进行的。
微反应器是一种连续流动的管道式反应器，其管道尺寸由于远远小于常规管式反应器，所以有极大的比表面积，由此带来的根本优势是极大的换热效率和传质效率。换句话说，可以精确控制反应温度和反应物料按精确配比瞬时混合。这些都是提高收率、选择性、安全性、反应速度及产品质量的关键因素。最近，已有多位研究者将微结构反应器这一新型过程强化手段应用于酯化反应中。如Yao等[1]以对甲苯磺酸为催化剂，在石英毛细管反应器中进行了乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯及乙酸丙酯的合成研究。结果发现，在14.7min的反应时间内，最高酯收率达97.2%以上。Benito-Lopez等[2]利用刻蚀的玻璃微反应器研究了苯酐与甲醇的酯化过程，与传统反应器相比较，反应速率提高50多倍。Wiles等人[3]使用硼硅酸盐玻璃微反应器成功合成了乙酸苯酯及乙酸硝基苯酯，转化率达到100%，但反应时间明显缩短。可见，采用微结构反应器有利于提高酯化反应效率。
1 巯基乙酸酯化反应[4-5]
在催化剂的作用下，由巯基乙酸与甲醇经分子间脱水缩合反应获得巯基乙酸甲酯，反应方程式如下：
2 实验装置及方法
预先将一定量的对甲苯磺酸溶解于巯基乙酸中，用高压液相色谱泵将甲醇与巯基乙酸溶液按一定比例注入微通道反应器中进行反应。使用冷热一体机控制反应温度，出口保持适当长度的盘管侵没在冰水中以终止反应。通过改变泵流速控制停留时间。采用液相色谱法分析反应液中巯基乙酸甲酯的浓度。
1、2—物料，3—微反应器，4—冷却器，5—收集瓶
图1 微通道反应实验装置示意图
3 实验结果分析
3.1 停留时间对巯基乙酸甲酯收率的影响
甲醇与巯基乙酸摩尔比为3:1，对甲苯磺酸用量为巯基乙酸的1%，反应温度为60℃时，通过改变流速来调节停留时间从8.2min到57.2min，考察不同停留时间对巯基乙酸甲酯收率的影响，结果见表1。
表1 保留时间对巯基乙酸甲酯收率的影响
由表1结果可知，在反应时间为14.3min时，就能得到较高的巯基乙酸甲酯收率，而常规釜式反应器中合成巯基乙酸甲酯达到相近的实验结果，反应时间约需8小时。显然，微通道反应器中的酯化速度明显比常规釜式反应器高，其原因除与前述的微通道反应器传热、传质效率高有关外，另一重要原因可能是因为微通道中反应溶液不会出现返混现象，即最终生成的反应产物巯基乙酸甲酯与水不互溶且连续从微通道中流出，所以在微通道反应器中发生的酯化反应可以近似认为是不可逆反应。
3.2 反应温度对巯基乙酸甲酯收率的影响
巯基乙酸甲酯的合成是吸热反应，升高反应温度，有利于反应向正方向进行。甲醇、巯基乙酸的沸点分别为64.7℃和123℃。因此，甲醇与巯基乙酸摩尔比为3:1，对甲苯磺酸用量为巯基乙酸的1%，分别在30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃和90℃。考察了反应温度对巯基乙酸甲酯收率的影响。结果见图2。
图2 反应温度对巯基乙酸甲酯收率的影响
由图2可知，当反应温度低于甲醇的沸点时，其收率随着反应温度的增加而快速增加，表明升高温度有利于吸热反应的正向推进；当反应温度从60℃升至80℃时，巯基乙酸甲酯的收率虽继续增加，但是增加幅度变得缓慢，而当反应温度从80℃升至90℃时，收率反而略有下降，这可能与较高温度时易发生巯基乙酸的内酯化副反应有关。由以上讨论实际可知，当反应温度接近该酯化体系中最低沸点组分的沸点时，最有利于反应向正方向进行，这与Yao等[1]使用微通道反应器快速合成乙酸丙酯时所得的结论是类似的。
3.3 甲醇与巯基乙酸摩尔比对收率的影响
对于酯化可逆反应，从化学平衡的角度，增加反应物量可以使平衡向正方向进行，从而提高酯收率。表2给出了甲醇与巯基乙酸摩尔比在1:1~6:1范围内对合成巯基乙酸甲酯的影响。反应条件为：对甲苯磺酸用量为巯基乙酸的1%，反应温度为60℃，停留时间为14.3min。
表2 甲醇与巯基乙酸摩尔比对巯基乙酸甲酯收率的影响
由表2可知，当甲醇与巯基乙酸摩尔比从1到4时，巯基乙酸甲酯的收率也迅速从增大81.3%至94.6%，甲醇与巯基乙酸摩尔比再增至5时，巯基乙酸甲酯收率基本不再变化，而当甲醇与巯基乙酸摩尔比增至6时，巯基乙酸甲酯收率反而略有下降，这可能与甲醇与巯基乙酸摩尔比过高时，反应系统中催化剂浓度下降有关。
4 豪迈化工微通道反应器
山东豪迈化工技术有限公司已自主研发出多种结构和材质的微通道反应器，如方型通道结构和伞型通道结构，以及不锈钢材质和碳化硅材质。通过不同类型的有机合成实验证实，微通道反应器在改善传质、传热效率以及提高反应效率方面效果显著，赢得了客户的一致好评。随着巯基乙酸甲酯应用的越来越广泛，豪迈化工开发的多种微通道反应器也将大有可为。
图3 碳化硅微通道反应器
5小结
与常规反应器相比，以微通道反应器合成巯基乙酸甲酯的方法能明显缩短反应时间。在反应温度为60℃，甲醇与巯基乙酸摩尔比为4，收率达到94.6%。只需要14.6min，而常规反应在较为适宜的工艺条件下收率仅为85%，反应时间确需近8小时。这应该是因为微通道中反应溶液不会出现返混现象，即最终生成的反应产物酯与水不互溶且连续从微通道中流出，所以在微通道反应器中发生的酯化反应可以认为是不可逆反应。
参考文献
[1]Yao X, Yao J, Zhang L, et al. Fast Esterification of Acetic Acid with Short Chain Alcohols in Microchannel Reactor[J]. Catalysis Letters, 2009, 132(1-2):147-152.
[2] Benitolopez F, Tiggelaar R M, Salbut K, et al. Substantial rate enhancements of the esterification reaction of phthalic anhydride with methanol at high pressure and using supercritical CO2 as a co-solvent in a glass microreactor.[J]. Lab on A Chip, 2007, 7(10):1345-1351.
[3] Wiles C, Watts P, Haswell S J, et al. The aldol reaction of silyl enol ethers within a micro reactor.[J]. Lab on A Chip, 2001, 1(2):100.
[4] Katakami T, Yokoyama T, Miyamoto M, et al. Pyrimidinedione compounds, method of producing the same and antiarrythmic agents containing the same: EP, US 5008267 A[P]. 1991.
[5] Yone K, Suzuki J, Tsunekawa N, et al. Method of detecting Kawasaki disease using anti-tumor necrosis antibody: US, US 5075236 A[P]. 1991.