根据创新的电场反应器和电场控制反应选择性的概念，研究设计并制作实验用电场反应装置；实验研究电场极化在亲电化学反应中的应用，在不同电场强度作用下，以硝化甲苯反应为亲电取代反应模型，以硝硫混酸硝化甲苯，得到硝化产物硝基甲苯，探索电场对亲电反应的定位选择性影响，确定电场催化的效果，确认了电场可以控制反应定位选择性，进而可以应用于其他选择性反应。开拓有机合成的新方法，进而形成全新的电场催化研究领域。

我们提出电场反应器和电场控制反应选择性的新概念，其工作原理是：a.电场极化反应介质，在外加电场作用下，可使反应介质（媒介质）分子产生极化或极性增强，并使分子或离子趋于有序排列，该反应介质可以是任何在反应温度下为液态的物质，但最好是离子或极性分子，该极化媒介质将对化学反应或化学过程产生明显的作用和影响。b.电场控制选择定位反应，一方面包括电场对反应介质的作用，即产生极化媒介质或增强媒介质极化，另一方面对于特定的反应，如反应的原料、过渡态或络合物结构有极性结构的反应，在电场极化媒介质和电场作用下，分子中的电子分布将改变、将趋向于产生极性最强的分子、过渡态或络合物定位结构，使反应具有显著的定位选择性。
本研究与电化学合成的不同点在于，电化学合成是通过电极与反应物发生电子的得失转移，电路与反应液连接形成电流回路，有能量消耗；而本研究所用电极仅用于产生电场，不发生电子的转移，也没形成电流回路。因此，基本没有能量消耗。
本项目选择的硝化甲苯反应，是因为工业上有提高对硝基甲苯得率的实际需求，同时该反应又是典型的亲电取代反应。采用密度泛函B3LYL/6-31G*方法优化的甲苯分子结构，其偶极矩显示为极性分子，势能面显示苯环中心区域显负电性。因此，外加电场将显著影响硝化反应的进程和选择性。
电场反应器或电容反应器的研究与设计，首先设计实验用反应器，根据反应器的构造，设计并制作电极反应器。进而应用于釜式、管式或其他反应器，在反应器外壁和内壁放置电极，反应器本身也可作为电极。在外电场作用下，使反应器中的反应介质（媒介质）分子产生极化或增强极化，并使分子或离子趋于有序排列，该反应介质可以是任何在反应温度下为液态的物质，但最好是离子或极性分子，该极化媒介质将对化学反应或化学过程产生明显的作用和影响。将产生电场反应器或电容反应器实用新型或发明系列专利。
电场控制选择定位硝化一取代甲苯的方法，在一定强度的电场作用下，在极性反应介质中，以硝酰阳离子硝化一取代甲苯，得到硝化产物主要为对位。同时研究电场对反应速率的影响。将产生电场控制选择定位硝化甲苯的新方法发明专利。
电场控制选择定位连续硝化的方法，通过应用上述发明，采用电场控制反应，改进企业现用连续硝化工艺，使对位硝化产物的含量提高。将产生电场控制选择定位连续硝化甲苯的新方法发明专利。
本研究设计了一种电场反应装置实用新型专利，见附件1和2，其目的是提供一种可用于电场条件下进行化学反应装置。实现该实用新型目的的技术方案是该电场反应装置，包括常规反应器，在常规反应器的装载物料反应区域侧面设有产生电场的电极，电极与装载物料反应区域有绝缘材料隔离层，电极连接稳压直流电源。
常规反应器包括釜式反应器、管式反应器、塔式反应器、固定床式反应器或微反应器。产生电场的电极设置在常规反应器的内侧、外侧或中间部位，电极的尺寸是在反应时间内应使至少50%的反应物料置于正负电极产生的电场中，对于间歇式反应，电极的大小应使至少50%的反应物料体积置于正负电极相对所产生的电场中。对于连续式反应，电极的大小应使发生最开始的至少50%的时间内，反应物料应置于正负电极相对所产生的电场中。产生电场的电极是单电极或由多块极板组合的电极。产生电场的电极是平板电极、曲面电极、网状或棒状电极。根据反应器的形状，使电极与反应器紧密配合，尤其当电极置于反应器内侧与物料直接接触。
反应器的器壁可以作为产生电场的电极。对于釜式反应器，桶壁或上下部分均可作为电极；对于管式、塔式或固定床反应器，反应器的管壁可以作为电极；对微反应器，隔板可以作为电极。
反应器的搅拌器可以作为产生电场的电极。电极材料为钢、铁、铅、钛、铜、铝金属，主要根据材料的价格和绝缘层的加工难易程度考虑。绝缘材料为热固性/热塑性塑料、高聚物薄膜、陶瓷、玻璃或漆、树脂和胶类涂层。电极与装载物料反应区域间的绝缘材料隔离层应确保在反应过程中不被电流击穿，电极的安装应保证设备操作安全。如果与反应物料接触，还要考虑耐物料腐蚀性。电极连接稳压直流电源。根据反应器的大小和不同类型的反应，设置不同的电压。
本实用新型的技术方案的特点是该电场反应器的结构简单，易于制造，可为液、气相化学反应提供电场环境，可作为化学反应的设备。可实施在电场下进行化学反应，实现电场催化化学反应，对于特定的反应，如反应的原料、过渡态或络合物结构有极性结构的反应，在电场极化反应介质和电场作用下，分子中的电子分布将改变、将趋向于产生极性最强的分子、过渡态或络合物定位结构，达到改变化学反应的进程，可显著提高化学反应的选择性的效果。主要用于亲电和亲核反应。本实用新型的电场反应器与电化学合成用的电解槽的不同点在于，基本没有能量消耗。
设计并制作了循环水浴加热和热空气加热釜式电场反应器，设计并制作了循环水浴和热空气加热微管式电场反应器，上述装置均可用于实验研究电场对化学反应影响的研究。其中热空气加热微管式电场反应器在应用于硝硫混酸硝化甲苯时取得了较显著的提高对位选择性的结果。该电场微管式反应装置包括进料系统，是由储料槽，输料管和蠕动泵组成，输料管为聚四氟乙烯软管，物料混合装置为聚四氟乙烯三通，微管式反应管道为内径为0.5-1mm，长25cm的玻璃管，玻璃管置于循环恒温加热水管中，在电场中为15cm，在物料混合装置和微管式反应管道两侧设有产生电场系统的电极为铜板制极，极板外侧有高分子绝缘材料有机玻璃壳体保护，极板间距为3.0cm，电极连接高压直流电源，最高电压达到30kV。因实验经费限制，实验空气恒温加热装置以安装电场的固定框架作为加热恒温室，采用电热风机作为热源，实现恒温控制，装置比较简陋，存在问题是控温精度不高。在测试电场的实验中当高压直流电源电压达到14kV时，因绝缘条件欠佳，电源线连接处会出现放电现象，可见电火花。因实验装置为直径仅为1mm的微管，加电场后即使放电也安全，因此提高实验研究中最高电压为12kV。另外实验中甲苯容器加盖，并在通风良好的通风橱中进行实验，保证了实验的安全性。
具体实验步骤如下：
a. 配混酸硝化剂 12.7 mL水加入100 mL烧杯中，缓缓地依次加入33.6mL浓硫酸和4.6mL硝酸，配成混酸硝化剂；
b. 电场下硝化反应
水浴加热时：反应管置于循环恒温水浴装置中，水浴温度控制在55℃。开启高压直流电源，调节至预定电压，使反应器施加电场后，启动两台蠕动泵，调节甲苯和混酸硝化剂的进料速度分别为0.0125和 0.0600 mL/min，甲苯和混酸硝化剂分别经三通混合，进入微管反应器，流出物为含有产品的反应液。
空气加热时：去掉反应管外面的水浴管，改用空气加热装置，反应物置于55℃的恒温水浴中，在反应管外加装空气恒温装置，可保持温度在53—55℃。开启高压直流电源，调节至预定电压，使反应器施加电场后，后，启动两台蠕动泵，调节甲苯和混酸硝化剂的进料速度分别为0.0125和 0.0600 mL/min，甲苯和混酸硝化剂分别经三通混合，进入微管反应器，流出物为含有产品的反应液。反应进行中应注意控温，使体系维持在指定温度。
未加电场时具体步骤同上，只是未开启高压直流电源，未对反应器施加电场。
c. 后处理 将有产品的反应液倒入分液漏斗，分去下面的酸层，上层有机相用水洗约3次，水相pH值约为7，得淡黄色油状产品。
d. 产物分析 采用高效液相色谱分析邻、间、对位硝基甲苯的相对含量。
高效液相色谱分析方法条件：
色谱流动相为V（甲醇）：V（水）=70：30、检测波长278nm、室温、色谱柱COSMOSIL 5C18-AR-Ⅱ(6.0 nm×250 nm)、流动相流速0.5 mL/min。
通过实验确认了电场可以影响硝硫混酸硝化甲苯的选择性，而且是增加了对位选择性。在电场强度为4000kV/m条件下，硝硫混酸硝化甲苯比无电场时对/邻位增加了6.3%，比釜式的增加了8.9%。根据上述研究结果已申报了微管电场反应器装置实用新型专利和微管电场反应器装置及其在硝化反应中应用的发明专利，见附件3和4。
本项目的创新点在于实现了概念创新，验证了提出的电场反应器和电场控制反应选择性的概念，确认了电场可以控制反应定位选择性；实现了应用创新，电场极化在硝化甲苯的化学反应应用，产生电场催化控制定位选择性，提高了对位硝化产物达到8.9%；实现了设备创新，设计并制作出微管电场反应器装置；实现了方法创新，发明了电场控制选择定位连续硝化的方法。区别与普通电化学合成方法，本研究所用电极仅用于产生电场，不发生电子的转移，也没形成电流回路。因此，基本没有能量消耗，达到低能耗的特点。并开拓了有机合成的新方法，进而形成了全新的电场催化研究领域。

第十二届“挑战杯”省赛作品 省赛三等奖
2010年六月北京理工大学“十佳优秀大学生创新项目”