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连续流反应喹啉及其衍生物的臭氧化过程研究

神经系统退行性疾病,如阿尔茨海默症,帕金森病和亨廷顿病等的发生发展过程均与谷氨酸受体过度兴奋所介导的神经细胞迟发性损伤有关。

喹啉酸是一种内源性谷氨酸受体亚型受体激动剂,可诱导神经细胞损伤,其在大脑中含量大增是引起神经元损伤的一个重要原因,因此被广泛用于神经细胞损伤模型的研究。

传统的以氧气进行的喹啉湿法氧化需要在极为苛刻的条件(58-76 bar,220-280℃)下进行。相对而言,更为经济简便的喹啉臭氧化方法能得到78%的收率。然而,反应过程中会有过氧化物和臭氧化物的中间体生成会严重地增加爆炸风险。 

美国麻省理工学院化工系,美国科学院和工程院两院院士Jensen教授领导的研究小组借助连续流反应的高效传质传热以及本质安全技术,研究了喹啉及其衍生物的臭氧化过程。这里,作者选择了配置了8个模块的康宁低流量(LFR)反应器进行反应过程研究。

图1. 喹啉和8-硝基喹啉的臭氧分解和氧化处理

1. 喹啉和8-硝基喹啉的臭氧分解和氧化处理

考虑到保留时间可能不够,作者设计了2套反应系统,如下图所示:

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系统a为单程转化反应过程示意图。

该系统由八个模块组成的康宁低流量反应器(康宁LFR)用于反应

当串联连接时,总反应器体积4.6毫升

液相通过超高压进/出泵和不锈钢注射器流入反应器

质量流量控制器测量气体流量

与反应器并联的背压调节器(平衡棒)控制系统压力在20~25 psig之间,这是臭氧发生器的工作压力

经过臭氧发生器后,气流分成两部分,其中一部分以所需流速流入反应器,其他部分通过背压调节器引出系统。

换热器调节反应器的温度

液体产物通过重力从气相中分离出来

两个臭氧破坏装置(臭氧解决方案公司,ODS-3)破坏了任何未反应的臭氧

系统b可以将流经反应模块的反应液进行循环进样,从而增加反应保留时间,使其反应更充分。

作者分别对喹啉和8-硝基喹啉的臭氧化过程进行了考察,结果如下:

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如上图所示,在经过具备循环进料的系统b后,随着循环次数的增加,反应的转化率显著增加,尤其是喹啉臭氧化,较之釜式反应器所得的78%转化率而言,可以提高至95.2%。

作者通过实验结果得到的转化率、测定得到的停留时间分布(RTD)和总质量以及传质系数和臭氧分解的速率常数建立了反应器模型,利用这些速率常数进行模型模拟预测循环比、臭氧和基质浓度和反应转化率的关系。

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2.(a)喹啉和(b)8-硝基喹啉根据实验循环(R)和模拟结果对比(红色虚线)

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3. 底物在(a)不同臭氧浓度下与0.075 m喹啉的转化率,(b)不同喹啉浓度下与15 wt.%臭氧的转化率,(c)不同臭氧浓度下与0.075 m 8-硝基喹啉的转化率,以及(d)不同8-硝基喹啉浓度下与15 wt.%臭氧的转化率。黑色方块表示实验结果,红色虚线表示与平均值有一个标准差的模拟结果。

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4. 6-甲氧基喹啉转化率(a)不同循环比转化率,(b) 在不同臭氧浓度下,用0.225m的6-甲氧基喹啉,和(c) 在不同浓度的6-甲氧基喹啉和15%的臭氧下 实验(黑点)和模拟结果(红色虚线)。

当然这只是在LFR反应器上进行的初步考察,更多的研究工作还需完善,但这个结果可以从侧面印证连续流反应技术在喹啉及其衍生物合成上具备很大的优势,这项技术在未来也具有很广阔的应用前景。

实验总结:

喹啉、缺电子的8-硝基喹啉和富电子的6-甲氧基喹啉在康宁低流量反应器(康宁LFR)循环。喹啉和8-硝基喹啉的单程转化实验分别为75.6%和52.4%。

吡啶-2,3-二羧酸在间歇反应器中氧化反应后喹啉和8-硝基喹啉的臭氧分解产物的产率分别为72.7%和24.7%。利用康宁LFR反应器,循环利用使总转化率分别提高到95.2%和76.9%。

对于6-甲氧基喹啉单程实验,在较高的液流量和底物条件下,通过循环,反应转化率由45.2%提高到73.5%。

实验结果、转化率、停留时间分布(RTD)和总质量在反应器模型中加入传递系数以确定臭氧分解的速率常数。利用这些速率常数进行模型模拟,可以正确预测在不同的循环比、臭氧和基质浓度下反应转化率。

参考文献:Royal Society of Chemistry DOI: 10.1039 / C7RE00084G