MỤC LỤC

1


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MICROREACTOR
1. Giới thiệu về microreactor
Ngày nay, mỗi khi nhắc đến ngành công nghệ hóa chất, có lẽ đa số người đọc
đều liên tưởng ngay đến những khu công nghiệp náo nhiệt, những thiết bị phản ứng và
dây chuyền sản xuất trên quy mô lớn, những ống khói cao vút, những kho bãi rộng lớn,
và còn cả những lượng chất thải khổng lồ thải ra sông ngòi kênh rạch! Kéo theo đó là
những hệ quả nghiêm trọng về vấn đề sức khỏe và an toàn cho người lao động, những
nguy cơ tiềm ẩn về cháy nổ, những mối hiểm họa to lớn cho môi trường sinh thái cũng
như hiểm họa cạn kiệt nguồn tài nguyên thiên nhiên vốn không phải là vô tận. Trong
bối cảnh đó, sự xuất hiện của micro reactor đã được đánh giá là một cuộc cách mạng
của ngành công nghệ hóa chất nói chung.
2. Lịch sử hình thành
Ngược dòng thời gian trở lại những thập niên cuối cùng của thế kỷ 20, ý tưởng
về micro reactor xuất hiện đầu tiên vào năm 1986 ở Đức, tuy nhiên vẫn chỉ mới dừng
lại ở những ý tưởng trên giấy. Khoảng hơn ba năm sau đó, cũng tại Đức, nhà sản xuất
Forschungszentrum Karlsruhe đã cho xuất hiện lần đầu tiên trong lịch sử một micro
reactor, tuy nhiên họ chỉ tập trung nghiên cứu về vấn đề truyền nhiệt và năng lượng nói
chung. Mãi đến năm 1995, ứng dụng của các hệ thống micro reactor trong công nghệ
hóa học và cả công nghệ sinh học mới được đưa ra thảo luận ở Mainz (Đức), và đây
được xem là điểm khởi đầu cho sự phát triển thực sự của các hệ thống micro reactor.
Hai năm sau đó, hội nghị quốc tế đầu tiên về công nghệ micro và micro reactor đã
được tổ chức, và sau đó trở thành hội nghị thường niên của lĩnh vực này, tổ chức hàng
năm ở Châu Âu hoặc Hoa Kỳ.
3. Cấu tạo
Ở dạng đơn giản nhất và nhỏ nhất, micro reactor bao gồm một hệ thống các
rãnh nhỏ có kích thước từ 10 đến 300 µm, được khắc vào một bề mặt rắn làm bằng

thủy tinh, vật liệu silicat, hợp chất cao phân tử, hay bằng các lọai hợp kim khác nhau.
Các rãnh nhỏ này được kết nối với một hệ thống các bình chứa nhỏ, là nơi chứa
nguyên liệu và sản phẩm cho quá trình. Toàn bộ hệ thống các rãnh và bình chứa này có
kích thước tổng cộng khoảng vài cm, thường được gọi là một con ‘chip’. Xúc tác rắn
2


cho quá trình (nếu cần thiết) sẽ được nạp vào các rãnh nhỏ này. Hóa chất được di
chuyển trong micro reactor dưới tác động của hiện tượng điện thẩm, điện di, hoặc bằng
các bơm thủy lực có kích thước micro. Các hệ thống gia nhiệt hay làm lạnh cũng sẽ
được kết nối với hệ thống phản ứng, dĩ nhiên cũng ở kích thước micro. Các phản ứng
hóa học trong micro reactor có thể xãy ra trong pha lỏng, hoặc lỏng-hơi, hoặc là hoàn
toàn ở pha hơi, tùy vào từng quá trình cụ thể.

Hình 1. Một hệ thống micro reactor

Hình 2. Ảnh chụp phóng to rãnh trong thiết bị micro reactor

3


Hình 3. Ảnh chụp dòng chất di chuyển trong rãnh thiết bị micro reactor.

a)

b)

Hình 4. a) Phân vùng hoạt động trong thiết bị micro reactor.
b) Thiết bị thực tế.


4


Hình 5. Sơ đồ của hệ thống áp suất cao giao tiếp với một đồng nhất
microreactor.

Hình 6. Hệ thống lớn dựa trên bản thử nghiệm micro reactor

5


4. Ưu điểm
Các quá trình hóa học thực hiện trong micro reactor có nhiều điểm thuận lợi
vượt bậc so với các quá trình trong các thiết bị phản ứng thông thường, chẳng hạn về
tốc độ phản ứng và thời gian phản ứng. Phản ứng trong micro reactor có khả năng cho
sản phẩm với hiệu suất cũng như độ tinh khiết cao hơn trong một khoảng thời gian
ngắn hơn so với phản ứng trong bình phản ứng thông thường, do đó một số lượng lớn
các hóa chất mới có thể được tổng hợp ra trong một thời gian ngắn với một khối lượng
vừa đủ để tiến hành các phân tích cần thiết cũng như thử họat tính sinh học. Hơn nữa,
sự kết hợp nhiều micro reactor khác nhau có thể làm tăng thêm số lượng các hóa chất
mới một cách đáng kể trong cùng một khoảng thời gian. Chính vì vậy, micro reactor
được đánh giá là có khả năng làm một cuộc cách mạng trong công nghiệp tổng hợp
hóa dược, nơi mà số lượng các hóa chất mới có khả năng có họat tính sinh học cần
được tổng hợp ra ngày một nhiều và trong một khoảng thời gian ngắn nhất có thể.

6


CHƯƠNG 2: CÁC QUÁ TRÌNH PHẢN ỨNG ĐỒNG THỂ- PHẢN ỨNG THẾ
ÁI ĐIỆN TỬ TRONG MICRO REACTOR

1. Nguyên nhân ra đời
Trong những loại phản ứng thế ái điện tử truyền thống, phản ứng nitro hóa hình
thành liên kết C-N đã và đang được sử dụng trong quá trình sản xuất các hóa chất
trung gian cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Phản ứng nitro hóa các hợp chất
thơm thường tỏa nhiệt mạnh và hình thành nhiều sản phẩm phụ khác nhau như các sản
phẩm nitro hóa nhiều lần, các sản phẩm oxy hóa, sản phẩm polymer hóa cùng với các
khí nitrogen oxide độc hại. Bên cạnh đó, quá trình nitro hóa sử dụng một lượng lớn
hỗn hợp nitric acid và sulfuric acid có tính chất ăn mòn và tính oxy hóa mạnh, chứa
đựng nhiều nguy hiểm cho người lao động trên quy mô lớn. Do đó, nhiều nhóm nghiên
cứu đã tiến hành thử nghiệm quá trình nitro hóa trong hệ thống micro reactor.
Bên cạnh phản ứng nitro hóa, các phản ứng hình thành liên kết C-C đóng vai trò
hết sức quan trọng trong quá trình tổng hợp nhiều hợp chất trung gian có giá trị, và do
đó đã được quan tâm nghiên cứu thực hiện trong micro reactor
2. Phản ứng alkyl hóa theo Friedel-Crafts
Sơ lược về phản ứng Friedel–Crafts: là một trong số các phản ứng hóa hữu
cơ được đề ra bởi hai nhà hóa học Charles Friedel và James Crafts vào năm 1877, nộp
dung cơ bản của phản ứng bao gồm việc gắn thêm một mạch -R bất kì vào vòng nhân
thơm dưới sự hiện diện của AlCl3 trong điều kiện khan nước.
2.1. Cơ chế phản ứng alkyl hóa Friedel – Crafts
Phản ứng alkyl hóa theo Friedel – Crafts xảy ra theo cơ chế thế electrophile
thông thường. Xúc tác của phản ứng thường dùng là các acid Lewis hoặc acid protonic
như AlCl3, BF3, FeCl3, ZnCl2, SnCl4, HF, H2SO4, ClSO3H, H3PO4, P.P.A, v.v…
Đối với tác nhân alkyl hóa là alkyl halogenua, cơ chế chung được thể hiện dưới
đây:

7


Thông thường, các tác nhân electrophile bị tấn công bởi hệ thống điện tử π
thơm phức tạp của axit alkyl halogenua – Lewis.

Ví dụ: Phản ứng alkyl hóa vòng benzen theo Friedel – Crafts
Bước 1:
The alkyl halide reacts with the Lewis acid to
form aa more electrophilic C, a carbocationDưới tác
dụng xúc tác acid Lewis liên kết C-Cl trong dẫn xuất
alkyl halide bị phân cực mạnh, hình thành phức chất
R-Cl với Lewis acid.
Bước 2:
Phức chất này sẽ phân ly thành các
carbocation R+ là tác nhân ái điện tử mạnh tấn công
vào nhân thơm, đồng thời Hydro trên vòng benzene
tách ra.
Bước 3:
Phản ứng diễn ra với sự hình thành phức π và
chuyển chậm thành phức σ , sau đó tách proton để
tạo sản phẩm thế và tái sinh xúc tác.

8


-

Toluene được hình thành khi benzene bằng methyl chloride (chloromethane) trong sự
hiện diện của clorua nhôm khan.

Khi benzen thực hiện phản ứng với ethyl bromide và propyl bromide.

Carbocation propyl được sắp xếp lại thành carbocation isopropyl ổn định hơn
bởi sự thay đổi ion hydro trong quá trình phản ứng. Do đó sản phẩm chính là cumene
chứ không phải propyl benzen.

Ngoài ra, ancol hoặc alkene cũng có thể được sử dụng làm tác nhân phản ứng
thay cho các tác nhân alkyl halogenua - chúng đều là các tác nhân có khả năng tạo
thành tác nhân ái điện tử carbocation. Phản ứng cũng diễn ra theo cơ chế thế ái điện tử
thông thường. Đối với ancol, chúng được chuyển đổi thành các ion carbenium tương
ứng thông qua phản ứng với một acid Bronsted.
Ví dụ: Phản ứng của 1,4-dimethoxybenzene-t-butyl rượu để tạo thành 1, 4-Di-tbutyl-2, 5-dimethoxybenzene hiện diện của axit sulfuric đóng vai trò là chất xúc tác.

9


Đối với alkene, carbocation được tạo ra bằng cách sử dụng một axit
protonic. Proton được thêm vào carbon để tạo ra carbocation ổn định hơn.
Ví dụ: Cumene cũng có thể được tạo ra khi benzene tác dụng với khí propylene
dưới áp suất 30atm có sự hiện diện của H 3PO4. Một lần nữa carbocation ổn định được
tạo ra từ các alkene trong phản ứng. Axit sulfuric cũng có thể được sử dụng như là chất
xúc tác.

2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng alkyl hóa Friedel – Crafts
Cấu tạo của hydrocacbon thơm, cấu tạo của dẫn xuất ankyl halogenua, xúc tác
sử dụng trong phản ứng đều có ảnh hướng đến phản ứng. Trong các yếu tố ảnh hưởng
đến quá trình ankyl hóa phải kể đến các yếu tố về nồng độ của chất tham gia phản ứng,
nhiệt độ và áp suất. Nồng độ các chất tham gia phản ứng có tác động lớn đến quá trình
ankyl hóa. Đa số các phản ứng ankyl hóa là phản ứng tỏa nhiệt và nhiệt độ càng tăng
thì tốc độ phản ứng cũng tăng theo. Tác nhân ankyl hóa là ancol thì phản ứng được
thực hiện ở nhiệt độ cao hơn so với tác nhân là ankyl sunfat, nhiệt độ phản ứng dao
động từ nhiệt độ phòng 300C lên tới 2000C, thực hiện ankyl hóa ở pha khí thì có lúc
nhiệt độ lên đến 4000C.
Tốc độ phản ứng ankyl hóa biến đổi như sau:
+ Đối với dẫn xuất ankyl halide tốc độ phản ứng giảmtheo thứ tự: dẫn xuất
allyl, benzyl (CH2=CHCH2X, C6H5CH2X) > dẫn xuất bậc ba (R3CX) > dẫn xuất bậc hai

(R2CHX) > dẫn xuất bậc một (RCH2X)
+ Đối với các xúc tác Lewis axit tốc dộ phản ứng giảm theo thứ tự:
AlBr3> AlCl3> FeCl3> SnCl4> BF3
+ Nhân thơm có nhóm thế hút điện tử mạnh như dãy halogen trở lên sẽ không
tham gia phản ứng ankyl hóa. Ví dụ: - NO2, - CN, - SO3H, - CHO, - COCH3, - COOH,
- Br, - Cl nếu có mặt trong nhân thơm sẽ làm cho phản ứng ankyl hóa xảy ra không xảy
ra hoặc xảy ra không đáng kể.

10


2.3. Đặc điểm của phản ứng alkyl hóa theo Friedel – Crafts
Phản ứng alkyl hóa Friedel – Crafts có một số nhược điểm, làm hạn chế khả
năng ứng dụng của nó.
Phản ứng thường không dừng lại ở sản phẩm thế monoalkyl mà thu được sản
phẩm thế nhiều lần polyalkyl. Nguyên nhân là do nhóm alkyl sau khi thế vào vòng
thơm sẽ làm tăng hoạt cho vòng thơm, làm cho monoalkyl benzene tiếp tục phản ứng
với tốc độ lớn hơn ban đầu. Để hạn chế điều này, cần phải sử dụng một lượng thừa
hydrocarbon thơm ban đầu.
Phản ứng này thường xảy ra hiện tượng chuyển vị từ bậc 1 sang bậc 2 hay bậc 3
của các carbocation trung gian. Điều này làm cho sản phẩm thu được là hỗn hợp gồm
nhiều đồng phân khác nhau, trong đó sản phẩm chính là sản phẩm có sự chuyển vị.
Sản phẩm của phản ứng alkyl hóa có thể bị đồng phân hóa hoặc dị hóa do xúc tác acid
Lewis ở nhiệt độ cao.
2.4. Phản ứng alkyl hóa bằng hệ thống micro reactor – thành tựu to lớn của ngành
hóa chất xanh.
Khi thực hiện phản ứng alkyl hóa với phương pháp thông thường, trong các
thiết bị khuấy trộn thông thường, nhược điểm thường gặp là là lượng sản phẩm alkyl
hóa hai lần hình thành trong phản ứng khá cao. Với mục tiêu hạ thấp lượng sản phẩm
phụ này, tác giả Suga và cộng sự đã nghiên cứu thực hiện phản ứng alkyl hóa 1,3,5trimethoxybenzene bằng tác nhân N-acyliminium hình thành từ phản ứng oxy hóa

methyl butyl [(trimethyl silyl)methyl ] carbamate trong micro reactor dạng rãnh kích
thước khoảng 25 µm
Kết quả và so sánh với phương pháp truyền thống:
- Tỉ lệ hình thành sản phẩm:
+ Thế một lần và hai lần tương ứng là: 37% : 32% với phương pháp truyền thống với
nhiệt độ -78oC
+ 92% với sản phẩm thế một lần trong micro reactor. Tuy nhiên, nếu tăng kích thước
micro reactor lên 500 µm, tỷ lệ sản phẩm thế lần hai lại tăng lên như đối với phương

11


pháp truyền thống. Nguyên nhân do khả năng giải nhiệt tốt của các hệ thống có kích
thước nhỏ.
- Thời gian phản ứng: Nhanh hơn so với phương pháp phản ứng trong bình phản ứng
thông thường do: lượng chất tham gia trong hệ thống micro reactor nhỏ, mật độ tiếp
xúc hóa chất tại trung tâm phản ứng của hệ thống micro reactor cao.
- Tiết kiệm được lượng hóa chất và kiểm soát quá trình phản ứng: hóa chất được bơm
vào thiết bị micro reactor theo các rãnh có kiểm soát hướng đi khác nhau đến trung
tâm phản ứng tránh hiện tượng tạo sản phẩm phụ, lượng chất tham gia được tiến hành
với lượng nhỏ phù hợp yêu cầu trong quá trình thí nghiệm trong phòng thí nghiệm
trước khi được sản xuất đại trà bằng dây chuyền lớn.
- Đảm bảo an toàn trong quá trình phản ứng xảy ra: do lượng chất và thiết bị rất nhỏ
nên khi xảy ra sự cố sẽ được khắc phục nhanh chóng, phù hợp với các quá trình sử
dụng các hóa chất nguy hiểm.
- Tự động hóa và đo đạt kết quả: ngày nay các hệ thống micro reactor ngày càng tinh
vi và được số hóa với máy vi tính cho phép điều khiển tự động và đánh giá kết quả
trực tiếp bằng các thiết bị đo đạt hiện đại như quang phổ, ... ngay trong quá trình phản
ứng đang xảy ra bên trong thiết bị micro reactor.
Từ những tính chất ưu việt khi sử dụng hệ thống micro reactor trong các quá

trình phản ứng alkyl hóa theo Friedel – Crafts, các nước phát triển như Mỹ, Anh,... đã
bắt đầu thay thế các phương pháp tổng hợp hóa chất truyền thống bằng hệ thống micro
reactor trong phòng thí nghiệm đã tạo ra các bước nhảy vọt quan trọng trong công
nghiệp hóa chất nhất là đối với tổng hợp hữu cơ trước khi đưa lên sản xuất quy mô lớn.
Chính điều này đã góp phần quan trọng làm “xanh” hơn ngành công nghiệp hóa chất
vốn rất độc hại và ô nhiễm của truyền thống.
2.5. Ứng dụng của phản ứng alkyl hóa theo Friedel – Crafts trong sản xuất các chất
hữu cơ quan trọng.
Sản phẩm của phản ứng Friedel- Crafts có 2 loại chính là các đồng đẳng alkyl
benzene và các kentone thơm. Các hợp chất này có nhiều ứng dụng trong thực tế, nhất
là trong công nghiệp sản xuất các monome, chất tẩy rửa, hóa lọc dầu, v.v…
12


Sản xuất Ethylbenzene: Ethylenbenzene, phenylethane, C6H5CH2CH3 là hợp
chất alkyl thơm đơn vòng, có ý nghĩa quan trọng trong công nghiệp tổng hợp hữu cơ
hóa dầu. Làm nguyên liệu cho quá trình sản xuất Styrene monomer C 6H5CH=CH2.
Làm dung môi sơn, nguyên liệu cho quá trình sản xuất diethylbenzene và
acetophenone.
Sản xuất Xylene: ứng dụng nhiều trong sản xuất sơn và nhựa, làm dung môi
cho sơn bề mặt. Dùng trong tráng men, sơn mài, sơn tàu biển, các loại sơn bảo vệ khác
và dùng trong sản xuất nhựa. Là dung môi quan trọng cho thuốc trừ sâu, chất béo,
parafin, nhựa tự nhiên và tổng hợp. Dùng trong sản xuất mực in, keo dán.
Sản xuất Toluene: dùng trong sản xuất nhựa tổng hợp. Dùng làm dung môi pha
loãng và thành phần chất tẩy rửa, keo dán cao su, xi măng cao su. Được dùng làm chất
cải thiện chỉ số octane của xăng dầu, phụ gia cho nhiên liệu. Dùng trong sản xuất thuốc
nhuộm, y khoa, sản xuất nước hoa, mực in,…
Sản xuất Benzophenone: Được sử dụng như một thành ohaafn của nước hoa
tổng hợp và là một nguyên liệu ban đầu để sản xuất thuốc nhuộm, thuốc trừ sâu và
dược phẩm. Được úng dụng trong chất kết dính, mực và lớp phủ, sợi quang học cũng

như trong các bản mạch in,… Được xem tương tự như các bộ lọc quang học nên được
dùng để giảm hoạt tính các phân tử chất nền được kích thích vởi ánh sáng cho các
polymer bảo vệ và các chất hữu cơ. Dùng làm kem chống nắng bằng cách ngăn chặn
tia UV-A và UV-B
Sản xuất Acetonphenone: Dùng để làm nguyên liệu để tổng hợp một số dược
phẩm, phụ gia thuốc lá, chế tạo nước hoa, hương liệu cho sản xuất đồ ngọt, kẹo cao su.
Trong y học, nó được sử dụng để điều chế thuốc ngủ và thuốc chống co giật, được bán
trong thị trường với tên gọi là Hypnone.

13


CHƯƠNG 3: TỔNG KẾT VÀ KIẾN NGHỊ
1. Tổng kết
Việc khảo sát nhanh các điều kiện phản ứng không chỉ mở ra cơ hội cho việc tối
ưu hóa hiệu suất và tính chọn lọc của phản ứng, mà còn cung cấp nhiều dữ liệu để
nghiên cứu các hưởng phản ứng và động học của phản ứng.
Các nhà nghiên cứu trên đã chứng minh những ích lợi của việc sử dụng thiết bị phản
ứng cỡ vi mô cho phản ứng flo hóa trực tiếp, phản ứng tổng hợp phosgen, phản ứng
pho- gen hóa, điazo hóa, hyđro hóa, oxy hóa và các phản ứng hữu cơ khác. Thiết bị
này cũng có thể được kết hợp với các thiết bị quan sát phản ứng như quang phổ khối,
sắc ký khí,... Trong tương lai, những thiết bị phản ứng cỡ vi mô như trên có thể thay
thế cho các bình phản ứng thông thường trong các phòng thí nghiệm hiện nay .
2. Kiến nghị
Trong điều kiện kinh phí cho phòng thí nghiệm còn hạn hẹp, các biện pháp bảo
hộ sinh viên của chúng ta trước sự tiếp xúc với các hóa chất độc hại trong các phòng
thí nghiệm hầu như chưa được quan tâm đúng mức, ý thức về bảo vệ môi trường chưa
được coi trọng cũng như hóa chất thải ra từ các phòng thí nghiệm ở các trường đại học
chưa được xử lý thích hợp, thì micro reactor và SSC là một lựa chọn cần thiết. Tuy
nhiên, điều này cần sự phối hợp giữa cơ quan quản lý giáo dục với các trường liên

quan, cũng như đội ngũ giảng viên liên quan cần phải làm quen với lĩnh vực này.

14


TÀI LIỆU KHAM KHẢO
1. Phan Thanh Sơn Nam, “Giáo trình hóa học xanh”, nhà xuất bản ĐH QG TP. Hồ Chí
Minh.
2. Phan Thanh Sơn Nam, Trần Thị Việt Hoa, “Giáo trình Hóa hữu cơ”, NXB ĐHQG
TP. Hồ Chí Minh.
3. Phan Thanh Sơn Nam, “Micro reactor Cuộc cách mạng trong Công nghệ Hóa học”.
4. Volker Hessel, Holger Löwe, Andreas Müller, Gunther Kolb,
“Chemical Micro Process Engineering (Processing and Plants)”.
5.

Jaroslav

Multiphase

Keybl, “A Microreactor
Homogeneous

and

Measurements under Continuous Flow”

15

System


for

High-Pressure,

Heterogeneous

Catalyst