技术资讯

连续流动模式下光化学反应的可扩展性

2021-05-19 13:12:43

在过去的十年中,连续流光化学作为一个领域已经在学术界和工业界得到越来越多的普及。此发展的关键驱动力是安全性,实用性以及快速复杂化学结构的能力。连续流反应器,无论是自制的还是商业供应商的,都可以以可重现和自动化的方式生成有价值的目标化合物。近年来,新型节能LED灯的出现与创新的反应器设计相结合,为提高现代光化学流反应器的实用性和生产率提供了强有力的手段。

连续流动模式下光化学反应

在流动模式下进行有效的光化学转化的关键特征是能够均匀地照射通过窄径管或微通道连续泵送的底物溶液。更高的时空控制还可以轻松地将过度辐射的影响降到最低,因为原则上每个分子在流动反应器的辐射区域内停留的时间相同,可以在流动模式下以高精度进行控制。方便的温度控制和多种可用的光源(紫外线和可见光),都可以轻松进行光化学反应。在光-氧化还原催化领域的重要进展,合成化学家可以在直接照射的反应和现代的光催化反应之间进行选择。

在任何光化学反应过程中要考虑的一个关键参数是光穿透的参数。光被反应介质吸收,并且该光衰减取决于比尔-朗伯定律(图1)所指示的反应器的辐照尺寸 。随着反应器尺寸的增加,路径长度(与光源的距离)也随之增加,从而导致照射不均匀。这通常是按批处理模式扩大光化学反应的关键问题之一,但是类似的流动过程通过小型化策略克服了这个问题,从而缩短了路径长度。

通过反应堆容器的光的衰减(透射率和吸收率)

1通过反应堆容器的光的衰减透射率和吸收率

尽管有时流动化学应用于该反应并不一定不能提高所有反应收率,但有时与类似的间歇式反应器相比,反应时间短得多,生产率更高。已经开发设计用于连续处理的各种新的光催化商业系统

Collins小组证明了连续流动对扩大光氧化还原过程的适用性,该小组报告了通过C(sp)-S键的形成合成炔基硫6(2)。炔基溴化物5和硫醇4的偶联是使用4CzIPN(基于有机咔唑的敏化剂)和镍共同催化的体系进行的。尽管该反应可以小批量(0.24 mmol)成功地分批成功进行,并具有优异的收率(92%),但4 h的长时间反应是不利的。使用连续流系统可大大缩短30分钟的反应时间,同时保持高收率。

炔基硫醚的连续流式合成

2炔基硫醚的连续流式合成

最近,Kappe小组研究了流动化学对提高该反应的可扩展性的适用性。仔细优化反应条件发现正确选择光源至关重要,与使用较弱的8 W紫外线灯相比,使用市售的中压汞灯(带有适当的滤光片)可观察到产率的提高。在303 nm 与批次相比,正确的光源的使用使研究人员能够以高收率(> 95%)合成所需的环丁烯内酯8,与批次相比,反应时间大大缩短(停留时间为20分钟,批次为24小时)。为了扩大流程规模,使用了市售的Vapourtec UV-150反应器(10 mL)。当试图通过使反应器运行8小时来扩大工艺规模时,由于不溶性聚合物材料的形成,观察到明显的反应器结垢,通过将反应温度从50°C降低到10°C可以解决此问题,但是仍然观察到每小时转化率降低2.3%。尽管如此,连续流动装置在8小时的运行中仍实现了144 mg / h(约3.5 g /天)的生产率,大大高于以前报道的分批反应(14-21 mg / h,336-504 mg /天)。 )

在光化学反应期间通常出现的一个问题是底物或所得反应产物的过度辐射。这可能导致发生各种副反应,通常是分批不可避免的。连续流中的时空处理所提供的优势通常消除了此问题,从而可以更大规模地进行敏感反应。

通常大多数反应必须重新优化以从批料转移到流动。这通常会导致浪费时间来寻找最佳流速以获得足够高的产量。最近,Booker-Milburn小组进行了一项研究,试图纠正这一问题。据报道,通过基于批处理参数计算流速,可以简化优化的批处理条件向流量的转移。这将有助于减少开发时间,因为可以轻松实时地监控反应,而无需额外昂贵的设备,因此可以更快速地批量优化反应。为了验证该假设,将各种反应从批处理转移到连续流。在这些是的photorearrangement Ñ取代的琥珀酰亚胺17到酮-己内酰胺20(3)。

N-取代的琥珀酰亚胺的光重排

3 N-取代的琥珀酰亚胺的光重排

尽管使用连续流装置不会导致反应效率的提高,但是由于存在多个灯,因此有可能增加反应器功率,因此它确实允许规模扩大。但是,应注意,该结论只能针对调查中包含的反应得出,因为光催化途径由于其复杂性的增加而可能表现出不同的行为。

Kappe小组最近报告了一种可扩展的方法,用于将乙烯光化学[2 + 2]-环加成成环酸酐。与中压或低压汞灯相比,LED的优势在于效率更高,发热量更少。此外,它们可用于发射特定的近单色波长,但是通常将它们限制为更长的波长(> 350 nm)。通常,对于某些反应,使用更长的波长需要光敏剂的存在,以促进能量转移。Kappe小组的这项研究强调了选择正确的光敏剂的重要性,并发现噻吨酮(31)是柠康酸酐(30)与乙烯反应生成相应的环丁烷32的理想选择。

乙烯的光化学[2 + 2]-环加成

4乙烯的光化学[2 + 2]-环加成

   在过去的五年之前,鲜有关于连续流进行公斤级光化学过程的报道.近年来这种情况已得到纠正,这主要是由创新型光化学反应器的发展推动的。尽管流动光化学相对于批次光化学具有多种优势,但两种方法都可以协同使用。Batch通过常规实验室方法(例如TLC和HPLC)提供了简单实时分析的优势,为过程提供了强大的洞察力。这样可以相对快速地进行小规模条件的筛选,由于在连续流动中执行类似的反应监控所需的分析设备成本过高,因此在流动中可能无法实现。另外,可以轻松地将各种光化学过程按比例放大。此外,很明显,通过使用连续流技术,可以更轻松地实现实用的可伸缩性。 使用小尺寸反应器以千克规模提供了各种示例,其中等效的分批过程将需要非常大的容器和光源。 除了连续流反应器设计的进步外,高功率近单色光源可用性的提高还导致光化学在较大规模上的采用增加。

以前,这种规模可能仅限于相对简单的反应,例如光环化或氧化,但是,最近的报道已扩展到更复杂的过程,例如光氧化还原催化。由于整个审查中讨论的不同反应器设计的可用性,预计反应范围的这种扩大只会继续。尽管通常仍然需要对反应进行重新优化的一些要求,但是使用更大的反应器或并联或串联的几个模块化反应器提出了一种有吸引力的策略,以减轻因更大的反应器的流体力学差异而引起的问题。

全文请查阅:

Donnelly, K., Baumann, M. Scalability of photochemical reactions in continuous flow mode. J Flow Chem (2021). https://doi.org/10.1007/s41981-021-00168-z


TOP