连续流光化学反应器

连续流光化学反应器

光化学反应器拥有透光率高、耐高温、耐高压、光强度大、光源纯净,控温精准、无放大效应等特点

连续流光化学反应器(光催化)

6个单一波长的选择(365nm、385nm、405nm、485nm、610nm和4000k)

光化学有机转化是一种很有吸引力的合成方法。按比例放大光化学反应需要考虑很多因素,例如光源、热和质量传递的测量以及安全问题等。

光化学微反应器具有如下特点:

1. 光程极短,可以广泛均匀地照射反应混合物;

2. 通过调节停留时间可以避免或最小化不必要的副反应和后续反应;

3. 高效使用光能,更节能。

光化学反应对人类的生存和发展起着不可或缺的作用。从光合作用合成人类基本生存所需的氮气、食品和衣物到社会高度发展所需的各种新型材料、保健药品以及维护生态环境的光化学废物处理, 人类生活的很多方面都与光化学反应相关。有光参与的化学反应避免了许多传统化学反应给环境带来的污染(如有毒溶剂和废水)。此外, 通过光化学处理各种有机废物, 还可以消除对环境的影响。

作为最基本的物理化学反应之一,光化学与许多生命过程紧密相关,并且在有机合成、环境保护、新材料、新能源等领域也发挥着重要的作用。而连续流技术作为当前医药化工行业科技创新的重点和热点,也逐渐在制药、石化、材料等行业崭露头角。近年来光化学反应与连续流技术的结合受到了越来越多科研院所与工业界研究人员的注意。这两种技术的结合,可以极大地缩短反应时间,提高反应的选择性以及安全性,在许多方面具有传统烧瓶反应无法比拟的优越性。概括来说,连续流光反应具有如下优势:

1.1 传质传热效率高

连续流光反应器的通道尺寸一般小于1mm,液体物料在其中以层流(Laminar flow)的形式通过。当液体以这种形式流动时,物料混合效果由各平行薄层的扩散情况决定,通道尺寸越小,物料混合均匀所需的时间越短。对于连续流光反应器,物料的混合可以在毫秒级的时间内完成,效率远高于传统的烧瓶反应器,由此可以极大的避免因局部浓度不均匀而引发的副反应。

连续流微通道反应器:连续结晶,电化学和光催化

1 液体在连续流光反应器中的流动情况[1]

在光化学反应过程中,除反应自身生成的热量外,光源的照射也会引起反应温度上升。得益于自身巨大的比表面积,连续流反应器可以及时将多余的热量移出,避免因局部过热生成大量的副产物。

 

1.2 实现多步反应连续进行

一些复杂的有机化合物,其合成过程不仅需要多步反应,且中间产物也需要经过提纯才可投入下步反应,而这些过程就需要消耗大量的时间和人力。连续流技术则提供了一种可能的简化途径。

连续流微通道反应器:连续结晶,电化学和光催化

2 连续流反应与烧瓶反应在多步合成中的对比 [1]

2显示了连续流反应与传统烧瓶反应的对比,可以看出连续流反应可以极大的简化反应,避免了因提纯中间产物而消耗大量的时间。此外对于一些生成不稳定的中间体,如重氮盐、叠氮化合物的反应,连续流反应也比烧瓶反应更具优势。

 

1.3 增加操作过程中的安全性

与传统的反应器相较,连续流反应器中持有的反应物料量明显要少,因此可以降低一些危险反应,如易爆、剧毒反应的安全隐患。即使发生事故,由于反应器内部的物料量少,产生的危害也会大大减小。

因为具备更好的安全性,连续流反应许多在烧瓶中无法实现的反应提供了可能的实现途径,此外连续流反应放大效应小,更容易实现扩大生产。

连续流光反应具备许多传统反应不具备的优势,因此也在多个领域得到应用。

 

有机光化学原理

光化学反应是指物质的分子吸收了外来光子的能量后激发的化学反应。

光是一种电磁波,具有波粒双重性质。光的最小单元是光子,对于1 mol 光子,所吸收的能量E为:

E=Nhc/λ                               (1-1)

N为Avogadro常数(6.023×1023mol-1),h为Plank常数(6.62×10-34j·s),C为光速(2.998×108m/s),λ为光的波长。

光对反应物分子辐射时,分子中的电子将从一个电子轨道跃迁到另一个较高能级的电子轨道即由基态分子M变成激发态分子M*,之后才有可能进行化学反应。参与光化学反应的分子轨道有5类,即:n、π、π*、σ和σ*轨道。

光化学反应中涉及的电子跃迁方式主要有以下3种:

(1) π → π*跃迁:烯烃中的π键吸收光后,π轨道中的一个电子跃迁到π*轨道上,即是π→π*跃迁。

(2) n→π*跃迁:由于分子中参与形成双键的杂原子(如O,N,S)具有孤对电子,光激发后杂原子上的孤电子将从非键轨道(n-轨道)跃迁到反键π*轨道,即发生n→π*跃迁。

(3) n→σ*跃迁:一些与碳以单键连接的杂原子化合物,如醇、硫醇、胺、卤化烃等,在波长小于200 nm光作用下,可发生n→σ*。   

 有机光化学反应类型:

光化学反应可划分为两大类:1. 光作为引发剂。2. 光参与反应。在第一类中,光引发诱导产生自由基反应,典型的反应有自由基聚合以及光卤化反应。在第二类光参与反应中又可分为两种,一种是Quasi-Stoichiometric 反应。光是作为反应物,没有光的参与,反应不能发生。

光照重排反应

Z/E异构化反应:烯烃在直接光照下或在加入敏化剂下光照可以发生异构化反应。

光诱导δ迁移重排反应:根据Woodward-Hoffman,分子在发生重排时,起决定作用的分子轨道是共轭烯烃的HOMO。为了使共轭多烯两端的碳原子的p轨道旋转关环生成δ键时,经过一个能量最低的过渡态,这两个轨道必须发生相同的重叠。

-(π-甲烷)重排反应:这类反应可以控制产物的立体构型,所以广泛应用于有机合成中[2]

光环化反应

[2+2]环加成:两个独立的π电子体系在光照作用下合成一个环丁烷结构,环丁烷进一步可发生断键、扩环或缩环反应。反应在分子间与分子内都能发生;共轭双键、非共轭双链、羰基与其它杂原子的π体系上都能进行这种反应。

[4+2]环加成反应:在光照的条件下反应,与传统意义的反应相比具有不同的空间立体选择性,所以可以根据产物的空间立体构型选择合适的合成方法。

杂环双键[4+4]光环合加成反应:此类型反应生成交叉环合物对于复杂多环结构化合物的合成具有特殊的意义。

可扩展的光化学

光化学对制药和化学工业来说意义重大,因为光激活转化使人们可以进入新的化学空间,发现合成工艺的捷径。然而,因为缺乏合适的多用途和可扩展的光反应器,工业界无法利用其进行工业生产,以致它像一个“被遗忘的”学科。

当扩大光化学工艺时,根据布格-朗伯-比尔定律中所述的光衰减效应,扩大反应器的尺寸会降低有效的光子输入。当通过传统的批次反应器方法放大时,会迅速产生反应工艺光子受限效应。

为了确保生产转换,工程师们必须在循环反应器(侧环和降膜反应器)中,高度稀释反应物浓度,并配备能源密集型的光源单元,如汞灯,以延长照射时间来运行他们的工艺,这些固有的扩展限制常常使工艺过程变得不经济。

只有少量的光化学工艺,如维生素D3和维生素A的合成从(由BASF和Hoffmann-LaRoch),玫瑰醚(Symrise)、己内酰胺(Toray)和青蒿素(Sanofi和Huvepharma)已投入商业应用。然而,近年来连续流化学和高效单色光源的发展,如 LEDs,为光化学的工业化应用带来了新机遇。

光化学应用

Barton亚硝酸酯光解反应

Barton自由基脱羧反应

Bergman芳环化反应

Brandi-Guama螺环丙烷重排反应

Büchner扩环反应

Curtius 重排

deMayo反应(de Mayo Reaction)

Dimroth重排反应

Di-π-methane重排(Di-π-methane Rearrangement)

Feldman烯烃环戊烷合成反应

Fries重排

Nazarov环化反应

Paternó–Büchi反应

Reimer–Tiemann反应

Vinylcyclopropane-cyclopentene rearrangement(烯基环丙烷-环戊烯重排)

Wolff重排

Wohl–Ziegler反应

光催化下N-膦酰基炔胺和α-重氮酮通过流动反应器进行苯环关环反应的研究

可見光/Ni雙催化的二級烷基與芳基的交叉偶聯反應

Ciamician–Dennstedt重排

脱羧偶联反应 Decarboxylative Coupling

单线态氧的化学研究

连续流光反应在有机合成中的应用

近年来,连续流光反应开始在一些有机合成反应中的得到应用,比如环加成反应。Ryu[2]等使用通道尺寸为1mm*0.5mm的玻璃连续流反应器,以300W的高压汞灯作为光源进行了环己烯酮和乙酸乙烯酯的环加成反应,并在相同条件下用烧瓶反应进行了对照。结果发现,连续流反应器在更短的时间内可以实现更高的收率。使用连续流反应器反应2h,收率可以达到71%,而使用烧瓶做为反应器,反应4h,收率只有22%。之后Ryu等又使用不同的光源进行了反应,发现UV-LED灯可以进一步提升反应效果,照射15min,收率即可达到91%。

连续流微通道反应器:连续结晶,电化学和光催化

3 环己烯酮和乙酸乙烯酯的环加成反应[1,2]

 

除环加成反应外,连续流光反应还在异构化反应、环化反应、脱羧反应等方面有较多的应用[3]

 

2.2 连续流光反应在材料科学中的应用

具有窄多分散性的聚合物颗粒在医药、树脂、光存储等领域具有巨大的应用潜力,而连续流光反应技术则在这类聚合物粒子的合成中得到广泛的使用。使用连续流光反应技术,可以较好的控制这类粒子的形貌、尺寸以及组成。

除聚合物的合成,连续流光反应技术也可应用于聚合物的化学修饰。聚合物的后期修饰被认为具有很大的难度,因为在既要保证聚合物链的完整又要精确控制修饰的位点。Seeberger[4]等就利用环加成反应,在聚赖氨酸上偶联上糖分子。修饰过程在FEP塑料管中进行,使用450W中压力汞灯作为光源,照射40min即可得到很好的收率。

连续流微通道反应器:连续结晶,电化学和光催化

4 使用连续流光反应对聚赖氨酸进行修饰[1]

 

除上述应用外,连续流光反应技术还在其它领域如污水处理等方面有着大量的应用,随着研究的不断进行,连续流光反应技术会在更多领域展现除它的威力。

应用领域

· 光氯化

· 维生素D的生产

· 光烷基化

· 青蒿素生产(抗疟疾药物)

己内酰胺的生产