廖釗鋙、金志龍 / 工研院材化所
硝基化合物與其衍生物應用廣泛，於日常生活隨處可見。然而硝化反應劇烈放熱、製程難以控制，直至今日仍無法安全有效率地生產，使得製程碳排居高不下。本文介紹硝化反應方法與製程方式，討論個別優缺點並深入介紹微反應進行連續式硝化提高生產效率的成功案例，期許未來能透過微流道反應技術達成低碳、高效率的生產目標。
【內文精選】
硝化反應
硝化反應泛指在化學分子上導入硝基的製程，是製備胺類化合物的重要路徑。硝化反應屬於放熱反應，導入一個硝基可以釋放約150 kJ/mol的熱量，反應溫度越高、反應速率越快，當反應溫度大於臨界點便會引發連鎖反應。
脂肪族化合物結構穩定，主要使用自由基進行硝化，利用將硝酸加熱至350˚C以上高溫，氣化並分解產生自由基，在>400˚C的高溫下與烷烴進行自由基硝化反應，由於自由基中間體容易發生重排或裂解反應，不易控制反應位置與產物選擇性，導致產物種類繁多，適合用於生產分子量低的脂肪族硝基化合物。
微流道反應器製程
2. 以微流道製程進行硝化反應
(1) 氣相硝化反應 (自由基硝化)
雖然成功利用微流道反應器進行自由基硝化製程，Löwe等也發現自由基會與反應器內壁材料發生反應(任何材質皆如此)，由於微流道反應器具有高表面積比，導致自由基很容易失去活性，使硝化反應效率反而變差，由實驗確認微流道反應裝置並不適用於自由基硝化(圖八)。
圖八、微流道氣相反應裝置
(2) 混酸硝化
混酸硝化是合成芳香族化合物硝化物重要的方法，混酸硝化的反應速率快、放熱高，必須快速排除熱量避免過熱，特別是對溫度敏感的分子來說，反應溫度控制尤其重要。威而鋼有效成分西地那非(Sildenafil)的中間體(1-Methyl-3-propyl-1H-pyrazole-5-carboxylic Acid)，由於硝基的強拉電子特性，使其結構不穩定，在大於100˚C的環境下容易裂解反應，釋放二氧化碳，由於氣體體積龐大容易造成反應器爆裂。傳統製程必須全程將反應溫度控制在50˚C下，確保反應選擇性避免發生裂解反應，並透過液相層析追蹤來確認反應是否完成，批次製程需要耗費10小時以上的時間(緩慢加料2小時、硝化反應8小時)。2003年Panke等人利用微反應器改善製程，透過微反應器優異的熱傳導效率，將反應溫度精準控制在90˚C，獲取最佳反應選擇性與效率，讓反應時間縮短至35分鐘，最終利用微流道連續反應取得與批次反應相當的產率(圖十) ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十、利用微反應器進行硝化反應，(a)微流道反應流程；(b)微流道反應模組
★本文節錄自《工業材料雜誌》459期，更多資料請見下方附檔。