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新年新气象!连续流技术名家又一突破性研究进展!
点击次数:483 发布时间:2021-01-14
  一、背景介绍

光化学具有操作简单、反应迅速等优点,符合绿色化学要求,越来越多的应用于有机合成反应研究。芳基衍生物尤其是芳基卤化物和羰基化合物的还原转化是许多光氧化还原转化的关键步骤。

目前,针对芳基衍生物的光氧化还原主要有两种方式:

· *一种方式是通过芳基重氮盐与光催化剂反应来实现。缺点主要是芳基重氮盐不稳定以及该反应的自由基链机制会对反应选择性产生影响(图1a)。

· 第二种方式是通过芳基卤代物与光催化剂反应来实现。缺点主要是反应速率低,反应时间长,且通常需要用到贵金属催化剂(图1b)。

这两种方式的局限性决定了很难实现放大反应及生产。为了达到一个可用的生产力水平,需要相对较短的反应停留时间,快速反应动力学非常重要性。

康宁连续流微通道技术已经被多次证明证明可以实现光化学反应的规模化生产。该项技术改进了光的穿透路径,使光的分布更加均匀,光利用效率更高,使反应具有非常强的可扩展性,能够大幅度提高反应速率。

1. 芳基重氮盐和芳基卤代物的还原反应与连续流工艺的对比

近期,欧洲著名连续流专家,奥地利Graz大学C. Oliver Kappe教授等人开发了有机光氧化还原催化剂体系在流动化学中的应用,使芳基卤代物和羰基化合物的还原具有**未有的选择性和反应速度(图1c)。

 

二、 实验部分

首先作者以4-溴苯腈的脱卤反应为例,在釜式反应中对比了加入HAT催化剂环己硫醇和不加催化剂的反应时间(图2),由图中可以看出,加入催化剂后反应时间能够由原来的4 h缩短到30 min

 

考虑到后续光化学的放大以及反应速率对产能的影响,作者在此基础上使用康宁Lab Reactor进行连续流工艺的优化,加入催化剂的4-溴苯腈(1a)在反应器中的脱卤反应时间能够降低至1 min,与不加催化剂相比,产能提升超过20倍,从0.1 g/h提高到2.2 g/h

2. 时间进程证明向反应液中加入CySH5 mol-%)能够使反应速率提高

 

然后作者同样对芳基氯代物2a的脱卤反应进行了优化,在反应器中该反应的速率同样能够大幅度提升,反应时间由釜式的72 h提升到3 min。为了进行对比,作者对反应过程中催化剂的用量、光源波长、光源强度等进行了筛选,同时采用实验设计(DOE)进行研究,确定了具体的反应条件和试剂用量(表1)。

 

1. 4-溴苯腈(1a)4-氯苯腈(2a)还原脱卤工艺优化

 

三、扩展实验-工艺的适用范围研究    

使用确定好的*优实验条件,作者首先对该工艺的适用范围进行了研究(图3),由图中可以看出,使用基础实验条件,通过改变反应停留时间以及使用不同的催化剂,不同的芳基卤代物均能在较短的时间内完成反应,且有较高的反应选择性。

 

3.脱卤反应的适用范围研究实验

当作者试图使用间氯**醛(7a)进行脱氯反应时,结果却有显著的区别,得到的是频哪醇重排产物。所以作者接着根据这一现象对不同的芳基醛、酮、亚胺进行反应,均能在较短的时间内获得相应的重排产物(图4),与之前报道的依赖于胺氧化还原介质的反应在反应速率和选择性方面都有显著提高。

 

4.醛、酮和亚胺的频哪醇重排研究实验

后,作者试图将这一方法应用于其他合成领域,对4-氯苯腈 (2a)与苯乙烯衍生物1,1-二苯基乙烯(9)的反应进行了考察,使得还原耦合产物(10)的收率达到61 %。使用芳基溴作为原料达到相似的收率需要长时间的反应 (>24 h),而该反应的停留时间仅为10 min

 

5. 芳基氯与苯乙烯衍生物的还原偶联

四、实验总结

作者证明了HAT催化剂与强还原有机光氧化还原催化剂结合连续流微通道反应器技术能够显著提高芳基卤代物和羰基还原的反应速率和选择性。在一个案例中,产能提高了20倍。

通过对反应停留时间和光强的调节,在某些情况下可以控制反应的选择性,实现二卤代芳基卤代物的单一脱卤。

该催化体系的连续流工艺同样适用于频哪醇重排、芳基氯与苯乙烯衍生物反应进行还原偶联,都在短时间内获得了较高的收率。总之该项工艺适用范围广,应用性能高,可扩展性强 

康宁微通道反应器在本系列研究中起到了至关重要的作用,因为康宁反应器比表面积大能够****保证反应体系受到光的均匀照射,康宁*的心型结构混合单元的**的传质性能保证了实验的高效进行。

另外,康宁反应器无放大效应,实验室小试参数可以直接应用到工业化生产工艺中,这为该系列研究后续的工业化探索提供了很好实验基础和方向性建议!

 

五、关于康宁光化学反应器

 

康宁高通量微通道光化学反应器(Advanced-Flow® Photo Reactor ),拥有透光率高、耐高温、耐高压、光强度大、光源纯净,控温*准、无放大效应等特点,在光化学反应中有独特的技术优势和广泛的应用前景。

康宁拥有从实验室研发到千吨级工业化生产的系列光化学反应器,六种波长可供选择,稳定的光源确保生产的稳定性,高效的液体冷却延长LED光源的使用寿命。

此外,康宁光化学反应器可以与在线NMR结合,对反应工艺参数进行快速筛选,有效地提升新分子的探索和工艺优化的过程。

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