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基于连续流技术高效绿色合成双硫仑并探索其工业化

2021-06-07 14:28:55

由于化学化工行业对可持续发展和绿色制造的迫切需求,连续流化学作为一门新兴学科越发受到广泛关注。连续流反应具有传质快、传热效率高、过程安全性好、废料排放少等优点,从而易于实现从实验室到工业生产的无瓶颈放大。

最近,王晓课题组以连续流技术为核心,开发出一套用于连续光催化合成的微反应系统,用于合成重要的橡胶硫化促进剂和药用分子二硫化四乙基秋兰姆(TETD,双硫仑)。新方法极大缩短了反应时间,并提高了产品收率和纯度。实现结果表明,在仅25分钟的停留时间下,TETD产率即可达到94%。经过长时间的放量实验,此系统仍可保持良好的稳定性,TETD的分离产率高达96%。相关成果以 “Continuous-flow step-economical synthesis of thiuram disulfides via visible-light photocatalytic aerobic oxidation”为题发表于Green Chemistry2021, 23, 1280),王晓副教授为通讯作者,2018级硕士研究生许皓星为本文第一作者。

秋兰姆类促进剂的传统合成步数多,并通常使用强酸、强碱、过氧化氢、金属氧化物等试剂,反应慢,放热量大,废料处理成本高。新方法使用氧气作为绿色廉价的氧化剂,只需一步,且不使用任何额外的酸或碱;根据Lambert-Beer定律将微通道与光催化结合,从而绿色高效地合成该类产品(1)。因在微通道中反应彻底,原料可按接近1:1的比例添加,故新方法除溶剂和有机光催化剂外,不产生任何废料。

TETD传统合成工艺与连续流工艺的对比

1. TETD传统合成工艺与连续流工艺的对比

首先,团队以二乙胺和二硫化碳为原料,研究了光催化剂和光源对合成相应二硫化物的影响,确立了以Eosin Y为光催化剂,绿光为光源的方案。随后设计了一套连续流反应装置,采用气体质流控制器(MFC)进行氧气输送,以恒流泵输送底物和催化剂的溶液,两股物料在通过微混合器后进入微通道反应器中形成气-液两相间断流。并在反应器周围添加LED光源,在装置的下游部分安装微型背压调节器以控制系统总压(2)。在这套装置中,气、液流量可以得到精准的控制,混合效果远好于传统批次反应器。微反应器光程长度仅0.8 mm,从而提高了光化学反应效率。

用于连续合成TETD的微反应器系统

2. 用于连续合成TETD的微反应器系统

随后,团队对流动反应的保留时间、压力、溶剂等参数进行了优化(3),确立了醇类为溶剂、压力75 psi、停留时间20–25 min 的最优反应条件,并进一步合成了多种常用的秋兰姆类促进剂(4)。机理方面,团队通过实验确立了质子耦合电子转移(PCET)反应机理,并采用二苯基异苯并呋喃(DPBF)作为单线态氧捕获剂,观测到UV-Vis光谱中409 nmDPBF紫外吸收明显减少,证实了单线态氧的存在。

连续流微通道反应器生产厂家

3. a)压力对以乙醇为溶剂合成TETD产率的影响;(b)反应停留时间对以乙醇为溶剂合成TETD的产率的影响;(c)反应停留时间对以甲醇作为溶剂合成TETD的产率的影响。

连续流微通道反应器生产厂家

4. 底物适用范围

目前合作企业已完成工业化论证。每套装置预计占地面积小于1 m2,仅为传统批次反应的1/20左右(相同产能下),造价控制在4万元以下。在高流速下连续运行,预计日产能可达几十千克。产品晶型和纯度都优于传统方法,安全性大大提高,废液排放量显著减少。申报专利一项(202011315319.5)。该项目的开展,为寻找一种普适的连续流氧气氧化方案提供了丰富的经验基础。

此外,课题组以类似的连续流反应装置促进C–N糖苷键生成,提出了N9嘌呤核苷的前生物合成新途径,于近日发表于Cell Reports Physical Science2021, 2, 100375)。并运用上述两相流体系,在燃油氧化脱硫反应方面取得了进展(J. Flow Chem.2020, 10, 597)。


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