前言
格氏反應(yīng)因其反應(yīng)機理的特殊性，在當(dāng)今的化工生產(chǎn)中應(yīng)用較廣，但由于受反應(yīng)體系中溶劑、水分、溫度等多種因素的影響，控制不當(dāng)極易引發(fā)生產(chǎn)安全事故。筆者結(jié)合部分格氏反應(yīng)事故進行分析和探討，就格氏反應(yīng)過程提出相關(guān)安全對策和建議。
一、格氏反應(yīng)及應(yīng)用
鹵代烴在無水乙醚或四氫呋喃、甲基四氫呋喃等溶劑中和金屬鎂作用生成烷基鹵化鎂RMgX，這種有機鎂化合物被稱作格氏試劑。格氏試劑可以與醛、酮等化合物發(fā)生加成反應(yīng)，經(jīng)水解后生成醇，這類反應(yīng)被稱作格氏反應(yīng)。通常各種鹵代烴和鎂反應(yīng)都可以生成格氏試劑，格氏試劑可以用于許多反應(yīng)，應(yīng)用范圍極廣，是有機合成中最常用的試劑之一。格氏反應(yīng)通常包括格氏試劑的制備和格氏試劑與其它物質(zhì)反應(yīng)兩個部分。
二、格氏反應(yīng)的主要危險
1、溶劑的影響。格氏反應(yīng)使用的溶劑均為易燃物質(zhì)，遇引火源容易發(fā)生火災(zāi)，且具有較低的閃點和極低的引燃能量，在常溫或較低的操作溫度條件下也極易被點燃，同時具有較寬的爆炸極限范圍，與空氣混合后很容易發(fā)生火災(zāi)、爆炸，在保存中接觸空氣會生成過氧化物，在使用升溫時會自行發(fā)生爆炸。
2、體系中水分的影響。在投料前沒有有效去除水分將直接影響反應(yīng)的進行，特別是反應(yīng)的引發(fā)，且鎂易與水反應(yīng)生成氫氣并大量放熱。即使本來是已經(jīng)引發(fā)好了的，但是當(dāng)?shù)渭铀州^高的原料后，由于水分(或是活潑質(zhì)子)的影響也會將反應(yīng)蓋滅了，使反應(yīng)不能正常進行，且格氏試劑水解后會生成易燃的烷烴氣體。
3、鎂的用量和細度的影響。鎂的用量和表面積直接影響反應(yīng)的活性，常用的主要有鎂條、鎂粒、鎂屑和鎂粉。
4、反應(yīng)體系中氧的影響。溶劑在保存和使用中接觸空氣會生成一定量的過氧化物，當(dāng)溶劑中過氧化物含量達到一定程度后，遇強熱或振動等因素時會造成爆炸。
5、引發(fā)劑的影響。若不能有效引發(fā)會使未反應(yīng)物料大量積聚，造成釜內(nèi)物料在局部過熱的情況下突然發(fā)生反應(yīng)形成高溫、高壓而發(fā)生爆炸。
6、反應(yīng)溫度對格氏反應(yīng)的影響。溫度對于引發(fā)非常重要，若反應(yīng)初期溫度太低，則反應(yīng)無法引發(fā)，導(dǎo)致鹵代烴滴加過多大量積聚，當(dāng)反應(yīng)一旦開始后會急劇、大量放熱，此時反應(yīng)釜來不及將熱量導(dǎo)出會造成沖料、爆炸事故;若制備過程中溫度太低，則反應(yīng)時間變長且反應(yīng)不徹底并可能中止反應(yīng);若溫度較高，則易發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)生成副產(chǎn)，或造成易燃介質(zhì)沖料、爆炸事故。
7、惰性氣體對反應(yīng)的影響。若反應(yīng)釜未采取氮氣置換，反應(yīng)過程釜內(nèi)溶劑蒸發(fā)產(chǎn)生大量易燃氣體，格氏制備的副反應(yīng)中也會產(chǎn)生少量烴類可燃氣體，它們與空氣混合形成爆炸性混合氣體，極易發(fā)生爆炸的危險。
三、格氏反應(yīng)的主要安全對策措施
(一)物料和設(shè)備的要求
格氏試劑對水十分敏感，凡是具有活潑氫的化合物都可以和格氏試劑反應(yīng)，如醇、末端炔烴、伯胺及羧酸等。因此，在制備格氏試劑時，應(yīng)該使用無水試劑和干燥的裝備。
1、溶劑的選擇。在格氏試劑制備中，溶劑的選擇是關(guān)鍵，一般會選擇絕對乙醚、無水四氫呋喃和無水甲基四氫呋喃這三種溶劑。由于四氫呋喃、甲基四氫呋喃的沸點比乙醚高，因而以四氫呋喃、甲基四氫呋喃作溶劑進行格氏反應(yīng)比用乙醚要安全一些。芳香族鹵化物一般選用四氫呋喃做溶劑，因為它們在乙醚的沸點時候一般不能引發(fā)，需要升高反應(yīng)溫度才行;而用烷基鹵化物做格氏反應(yīng)時一般用乙醚做溶劑，因為它們在較低溫度下就可以引發(fā)。在絕大部分格氏反應(yīng)中溶劑甲基四氫呋喃和四氫呋喃是通用的，由于甲基四氫呋喃的沸點(80℃)比四氫呋喃的沸點(66℃)高，這樣就可以提高反應(yīng)速度。另外格氏試劑在甲基四氫呋喃中的溶解度也較大，而甲基四氫呋喃在水中的溶解度比四氫呋喃低，因此可以更容易地將格氏反應(yīng)產(chǎn)物獨立地包含在其中。溶劑使用前應(yīng)采用淀粉碘化鉀試劑測試其是否含有過氧化物，如果含有過氧化物，則應(yīng)采用還原劑亞硫酸氫鈉溶液進行洗滌處理，去除過氧化物后方可使用。
2、鎂料的選擇。鎂的用量和細度應(yīng)根據(jù)原料的反應(yīng)活性來確定，在投料前絕對禁止鎂提前打開包裝暴露于空氣環(huán)境中。每次用后，如有剩余，應(yīng)及時進行密閉保存。盡量選用鎂屑而不用鎂粉，以控制反應(yīng)劇烈程度。
3、設(shè)備的選擇。生產(chǎn)格氏試劑的操作條件要求無氧、無水，所以反應(yīng)釜應(yīng)設(shè)氮氣保護的通入與流出管線和真空管線。應(yīng)選擇導(dǎo)電性能良好、耐腐蝕的材質(zhì)。反應(yīng)釜攪拌的槳葉應(yīng)足夠低，攪拌效果強，不但要將反應(yīng)液攪拌起來，而且要將鎂料攪動起來，以保證反應(yīng)充分。溫度計套管也應(yīng)足夠長，能接觸到反應(yīng)液，以保證在反應(yīng)物料較少時，能夠?qū)崟r監(jiān)測反應(yīng)物料實際溫度。有條件時宜采用反應(yīng)釜壁直插式溫度計，直接接觸料液，并建議采用雙溫度計。反應(yīng)釜上需設(shè)視鏡，以及時觀察反應(yīng)的引發(fā)現(xiàn)象。在溫度變化快速準確顯示的前提下，建議通過溫度變化在線監(jiān)控判斷反應(yīng)的引發(fā)。
4、載體的選擇。在嚴格控制使用溶劑水分情況下，由于設(shè)備結(jié)構(gòu)、腐蝕的原因或由于檢查不到位，可能使加熱和冷媒的載體蒸汽、熱水、冷卻水、冷凍鹽水漏入反應(yīng)體系而發(fā)生安全事故，建議選擇非活潑質(zhì)子類物質(zhì)(與鎂、格氏試劑不發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)如油類、烷烴類)、且本身安全可靠的作為加熱和冷媒的載體。
(二)反應(yīng)過程安全要求
1、投料時應(yīng)注意的問題。投料前應(yīng)確保反應(yīng)設(shè)備絕對干燥，投料時原料的管道跟溶劑的管道應(yīng)分開，否則會把在管道中的死體積的原料帶入反應(yīng)釜中，易引發(fā)沖料。投料前必須對涉及的設(shè)備進行置換處理，有條件應(yīng)做氧含量檢測。投料時一定注意鎂是否已加，數(shù)量是否準確，反應(yīng)過程中嚴格禁止補加鎂，不然就會發(fā)生沖料。
2、體系中水分的控制。嚴格控制體系中水分，所使用溶劑(含重復(fù)使用的回收溶劑)中的水分越低越好，一般乙醚含水量應(yīng)不大于0.06%，四氫呋喃及甲基四氫呋喃含水量一般應(yīng)不大于500ppm。建議回收用溶劑使用干燥劑等方式控制水分，最好直接使用新溶劑。
3、惰性氣體保護。由于格氏反應(yīng)使用的有機溶劑的沸點較低，常溫或反應(yīng)溫度條件下都有較大的揮發(fā)性，與空氣混合容易形成爆炸型混合物并達到爆炸極限，建議向儲存容器和反應(yīng)裝置中持續(xù)沖入惰性氣體(氮氣)，以降低容器和裝置內(nèi)氧氣的含量，避免達到爆炸極限，消除爆炸的危險。
4、引發(fā)過程控制。反應(yīng)引發(fā)階段需要活化引發(fā)劑，如碘、碘甲烷、溴乙烷和格氏試劑都是常用試劑，格氏試劑本身是最好的引發(fā)劑，引發(fā)速度最快，而且不會引入雜質(zhì)。為避免反應(yīng)過程過熱，一次性加入全部鎂屑和一部分溶劑后(一般再加入鹵代烴總量的5%左右)，停止攪拌，在某一局部緩慢滴入適量鹵代烴醚溶液，增加局部鹵代烴濃度，以利于引發(fā)。引發(fā)時溶液不能過濃，否則易發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng);引發(fā)時溫度不能過低，否則反應(yīng)無法引發(fā)。應(yīng)仔細觀察現(xiàn)象的變化，如反應(yīng)溫度和體系顏色的改變等，如確定反應(yīng)已引發(fā)成功，應(yīng)立即啟動攪拌和溫度冷卻反應(yīng)系統(tǒng)，邊冷卻邊逐步滴加反應(yīng)物料，直至反應(yīng)完成(無氣泡生成)為止。原則上不在生產(chǎn)車間格氏試劑制備釜做首批引發(fā)的制備，建議預(yù)留一部份格氏試劑或通過實驗室制備一部份格氏試劑作為引發(fā)試劑。格氏試劑應(yīng)現(xiàn)制現(xiàn)用，不宜長時間存放。如確需臨時儲存?zhèn)溆茫瑧?yīng)在冷卻條件下進行保存。
5、反應(yīng)過程控制。格氏試劑制備引發(fā)階段經(jīng)觀察判斷引發(fā)后，應(yīng)取樣檢測鹵代烴的含量，從而準確確認格氏試劑制備反應(yīng)已得到有效引發(fā)。格氏試劑制備的滴加過程應(yīng)隨時觀察控制溫度，杜絕反應(yīng)溫度忽高忽低，滴加結(jié)束應(yīng)觀察殘余鎂量及檢測鹵代烴的含量。縮合反應(yīng)結(jié)束應(yīng)檢測格氏試劑的殘余含量，以防后處理過程反應(yīng)過于劇烈而引發(fā)事故。
6、格氏試劑的轉(zhuǎn)移。當(dāng)工藝采取滴加格氏試劑與其它物質(zhì)進行格氏反應(yīng)時，建議將格氏試劑制備釜置于格氏反應(yīng)釜上方，盡量避免出現(xiàn)從格氏試劑制備釜中轉(zhuǎn)移格氏試劑的情況，以防轉(zhuǎn)移過程中因操作或保護不當(dāng)引發(fā)的危險。
7、活性物質(zhì)淬滅的要求。未反應(yīng)完全的反應(yīng)液或者不符合要求的格氏試劑不建議再重新制備，應(yīng)該作不合格品，淬滅后處理。多余不用的格氏試劑以及對于停產(chǎn)的格氏試劑制備釜、格氏試劑中轉(zhuǎn)槽等，也應(yīng)做淬滅處理。淬滅時應(yīng)加入無水溶劑，徹底冷卻，并在氮氣保護下慢慢滴加飽和氯化銨溶液等淬滅劑，淬滅其中的反應(yīng)活性物質(zhì)。淬滅過程中產(chǎn)生的氫氣、烷烴等易燃氣體不應(yīng)在室內(nèi)排空，應(yīng)通過管道接至室外排放，放空口應(yīng)設(shè)置阻火器防止回火。淬滅過程應(yīng)嚴格控制淬滅劑滴加速度并觀察反應(yīng)釜壓力情況，避免反應(yīng)釜內(nèi)大量放出氣體造成反應(yīng)釜超壓危險。
(三)安全設(shè)施要求
建議設(shè)置反應(yīng)溫度、壓力指示和攪拌電流的監(jiān)控報警。為避免局部過熱造成分子間脫鹵，反應(yīng)釜夾套預(yù)熱應(yīng)設(shè)有溫度指示。反應(yīng)釜必須有防爆片等安全泄壓裝置，并設(shè)事故收集槽。回流冷凝器的冷卻液宜選用非水介質(zhì)，防止管程破裂，冷卻水進入反應(yīng)釜。建議將格氏試劑制備反應(yīng)涉及裝置獨立設(shè)置，或與其他裝置用防爆墻分隔，控制室與反應(yīng)區(qū)用防爆墻隔離。
(四)安全管理要求
企業(yè)應(yīng)制定完善格氏反應(yīng)工藝操作規(guī)程、安全技術(shù)規(guī)程以及各類應(yīng)急處置方案，組織專家進行論證，并加強對關(guān)鍵崗位的人員培訓(xùn)。進行格氏反應(yīng)時必須要有兩人在崗位，且滴加過程中嚴禁離崗。在崗人員應(yīng)具有熟練操作經(jīng)驗，能夠正確判斷引發(fā)是否完全，如實記錄各參數(shù)，如不引發(fā)應(yīng)及時報告，嚴禁擅自處理。涉及格氏反應(yīng)的裝置應(yīng)加強維護保養(yǎng)，嚴格執(zhí)行設(shè)備檢維修制度。
