连续流电化学反应器

连续流电化学反应器

连续流电化学反应器可用于电化学反应、电极,电解质及膜分离的研究。

连续流电化学合成(电化学流动微反应装置)Electrochemistry

电化学反应

电解为那些必须形成阴/阳离子自由基中间体的有机合成提供了另外一种方法。传统电解方法受到诸多限制,例如电场不均、加热导致热损失且必须使用支持电解质。这些因素不是阻碍了电合成效率,就是加大了分离难度。电合成与微反应技术联用可以有效克服以上缺点。

连续流电化学反应器可用于电化学反应、电极,电解质及膜分离的研究。

电化学具有提供合成有机化学家的巨大潜力。但是,现代实验室中电化学的使用通常很少。这在很大程度上是由于缺少合适的设备,这些设备允许非电化学人员采用“便捷”的方法进行化学反应。为了使该技术更容易被接受为常规程序,化学家需要一种更简单,更用户友好的方式来访问它。

过去的电化学技术依赖于玻璃反应器中的电解,这导致反应控制不良,选择性低,可再现性差和反应速率缓慢。这些系统可以虽很容易地设置,但是由于上述原因,一直不愿采用它们。

在过去的5年左右的时间里,连续流电化学电池的发展使选择性地合成具有高的反应物到产物转化率成为可能,更常见的是一次通过设备。这些设备为电化学技术提供了便捷途径,这正在推动其作为可行,有吸引力的合成方法的当前重新评估。

有机电合成的基本原理

在有机电化学反应期间,通过异质过程通过在电极表面添加或去除电子来激活有机分子。电合成反应通常需要两个电极(阳极和阴极)与包含电解质的溶液接触。电解质是一种盐,可提供离子以改善溶液的电导率。

电化学可以以多种不同的方法进行,包括恒电位模式(控制电极两端的电压)或恒电流模式(控制电极两端的电流)。

·      在电合成方法的发展中可以探索几个变量。

电极的性质

·      施加的电压/电流

·      化学反应是在阳极还是在阴极进行

·      电极是简单地位于电池的任一侧还是被分开(例如,被离子渗透膜隔开)

 

有机电合成的优点

·      反应选择性可以通过施加在工作电极上的电势来控制。意味着可以选择一种与具有相似结构的电泳相反的电泳。与使用氧化还原试剂不同,可以随意修改电位

·      反应速度可通过调节电流密度或施加的电势来控制

·      与经典有机化学一样,可以通过管理提供的电子数来控制分子的转化程度(关于其氧化态)

·      电极的性质和电解质的组成可用作反应参数,以控制选择性和反应速率

·      可以预测电合成实验条件和途径

·      由于通常在室温和大气压下进行电解,因此反应条件通常较温和。

 

连续流动电化学技术

传统的电化学方法涉及“烧杯”的使用。通常,在电化学文献中,没有适当地描述该设备的精确描述。在给出电极材料的同时,几何形状,位置和尺寸不会给复制实验带来困难。连续流电化学设备的发展消除了复制实验程序的许多问题,并将变量限制在电极材料和合成程序上。

电化学是一种表面现象,意味着需要大的表面积与体积之比。如果我们总体上熟悉流化学,这是我们非常了解的东西。与等效体积的分批反应器相比,流动反应器的表面积与体积之比大。设计一种流动电化学反应器并不是一个很大的飞跃,该反应器相对于电极产生高的表面积体积比。

   传统电化学方法要考虑的一件事是,与同等流量的电极相比,电极之间的距离更大。电极之间的较大距离会导致失去对在电极之间通过的电荷的控制,从而导致“电子梯度”。下图通过简单的氧化说明了这一点。反应中的一系列电子会导致选择性损失。

连续流微通道反应器:连续结晶,电化学和光催化

 在流动电化学电池中,电极之间的距离大大减小。通过减少电极之间的距离,我们可以精确控制反应中的电子当量,从而提高选择性。

连续流微通道反应器:连续结晶,电化学和光催化

大多数连续流式电化学池都基于平行板设置,即一对电极板被产生流路的垫片分开一小段距离。电极的性质以及施加在电极上的电流或电压控制通过电极之间进入反应混合物的电子当量数。该电子流可以视为试剂。反应混合物的流速和浓度决定施加在电极上的电势,以产生精确数量的电子当量。这使我们可以更好地控制试剂和选择性。

通过减少电极之间的间隙,我们通常可以减少或消除反应中对电解质的需求,从而增加其“绿色”电势。

使用这些连续的电化学技术可以提供高达每小时几克的反应通量。由于电化学取决于表面,因此增加电极尺寸可能会进一步增加电极尺寸。

通过有机电化学合成手段设计氧化还原反应日渐引起人们的关注。反应过程中无需使用氧化剂或还原剂,仅通过电场作用便可将电中性的有机分子转化为相应的阳离子或阴离子自由基物种,与此同时还能避免其他副反应发生。但有机电化学合成在用于大规模的合成工艺中仍旧存在一定局限。常规的有机溶剂电导率较低,因而在体系中还需加入电解质增强溶液的导电能力。在设计大规模的电化学合成时,由于两电极之间的距离较大,反应需要在大电流密度下进行。连续流动反应装置可以在一定程度上解决这些问题,反应可以在很小的体系中进行,电极间距离较小,无需大电流负载,甚至不需要使用电解质。

电化学都是一种更为绿色环保的氧化还原合成工艺,因为它能有效减少甚至是避免高风险,有毒氧化剂或还原剂的使用。但放大过程中需要非常大的电极来产生足够的电流,同时还有无法得到均匀的电场以及电能转化为热能造成的能量损失等缺陷。这些缺点极大地限制了其工业化应用。

相比之下,连续流反应器可以使用较小的电极完成化学反应,从而进行高效且易于控制的工业化生产。