研究背景：

 

可見光催化具有綠色、低碳、可持續(xù)的特點(diǎn)，是21世紀(jì)非常具有挑戰(zhàn)和應(yīng)用前景的發(fā)展方向之一，但常規(guī)的釜式工藝由于反應(yīng)容器體積和反應(yīng)介質(zhì)的影響，極大地限制了其工業(yè)化應(yīng)用。

 

微反應(yīng)器技術(shù)因其優(yōu)異的傳質(zhì)和傳熱效率，持液體積小，安全性高等優(yōu)勢，使得這種新型技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。將光催化和微反應(yīng)器技術(shù)結(jié)合起來，從而獲得一種可持續(xù)化，易工業(yè)化放大的新型光化學(xué)合成技術(shù)。

 

α-官能化的β酮酸酯是一類非常重要的分子結(jié)構(gòu)單元,尤其是手性α-位羥基化的β-酮酸酯類結(jié)構(gòu)廣泛存在于具有生物活性的天然化合物、藥物中間體中。

 

盡管諸多文獻(xiàn)報道了用于合成此類化合物的多種策略，但是最直接的制備方法是采用不對稱催化β-酮酸酯的羥基化。目前已有文獻(xiàn)報道的方法普遍存在一些阻礙其廣泛應(yīng)用的問題，主要是催化劑活性低、選擇性不高、實(shí)驗(yàn)條件苛刻、不適于放大反應(yīng)。

 

工藝研究：

大連理工大學(xué)化工學(xué)院精細(xì)化工國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì) ，選取了1-茚酮-2-甲酸金剛酯類衍生物（β酮酸酯類）作為底物，通過Corning AFR光化學(xué)反應(yīng)器進(jìn)行了可見光催化氧化的相關(guān)研究，同時也與傳統(tǒng)的釜式工藝進(jìn)行了對比。

 

為了使得對比的效果更明顯，更有說服力，作者首先進(jìn)行了釜式條件下的的工藝篩選，如圖1所示：

 

圖1. 釜式條件下的的工藝篩選

 

可以看到，當(dāng)使用催化體系PTC-6+Ps時，釜式條件，常溫下，紅光照射反應(yīng)30分鐘，轉(zhuǎn)化率為97%，ee%值為80%；延長反應(yīng)時間至8小時，可得最優(yōu)結(jié)果，轉(zhuǎn)化率97%，ee%值可得90%。

 

在確定了最優(yōu)反應(yīng)條件后，作者又在該釜式工藝下進(jìn)行了底物的拓展研究，結(jié)果如圖2所示。

 

圖2. 釜式工藝下底物的拓展研究

 

當(dāng)?shù)孜铮?a，1c，1d）苯環(huán)上為吸電子基團(tuán)（Cl，Br，F(xiàn)）時，ee%值（84-90%）均比較優(yōu)異；當(dāng)?shù)孜铮?e，1f，1g）苯環(huán)上有供電子基團(tuán)（CH3，OCH3）時，ee%值（78-80%）均降低。此外，空間位阻（1h，1i）的增大也會降低產(chǎn)物的ee%值（77%）。

 

在確定了溶劑，催化劑，光敏劑體系等條件后，作者將其在Corning AFR的光化學(xué)反應(yīng)器（圖3上部分：流程圖）上進(jìn)行了對比試驗(yàn)。

 

圖3. Corning AFR的光化學(xué)反應(yīng)器初步對比實(shí)驗(yàn)

 

將底物，催化劑，光敏劑溶于甲苯中配制成有機(jī)相；將磷酸氫二鉀溶于水中配制成水相；所得有機(jī)相和水相通過進(jìn)料泵進(jìn)入反應(yīng)器；氧氣則通過鋼瓶和質(zhì)量流量控制器進(jìn)入反應(yīng)器。同時對反應(yīng)參數(shù)也進(jìn)行了篩選。

 

圖4. 連續(xù)流工藝優(yōu)化

 

結(jié)果如圖4所示，有機(jī)相流速1.5ml/min，水相流速1.5ml/min，氧氣流速10ml/min，背壓3bar，在0℃下，白光照射54秒，即可獲得97%的轉(zhuǎn)化率，且ee%值可達(dá)85%。

 

可以看出，使用Corning AFR光學(xué)反應(yīng)器，將反應(yīng)時間從斧式工藝下的8小時縮短至僅需54秒。這是基于反應(yīng)器優(yōu)越的傳質(zhì)，傳熱效率以及優(yōu)異的光利用率，能大大強(qiáng)化反應(yīng)速率。

 

此外，作者也在Corning AFR上對反應(yīng)底物進(jìn)行了拓展，結(jié)果如圖3所示，可以看到相比于釜式工藝，在大大縮短反應(yīng)時間（54秒 vs 8小時）的前提下，依然獲得了基本等同的反應(yīng)效果。這也是歸功于AFR優(yōu)異的傳質(zhì)傳熱。

 

 

 

實(shí)驗(yàn)總結(jié)：

總體來講，Corning AFR光化學(xué)反應(yīng)器相比于傳統(tǒng)的釜式反應(yīng)器，能大大強(qiáng)化反應(yīng)，加快反應(yīng)速度，極大地縮短了反應(yīng)時間。

 

此外連續(xù)流反應(yīng)與間歇反應(yīng)模式相比具有光照均勻，可連續(xù)化等優(yōu)勢，尤其適合可見光催化放大反應(yīng)，有效解決間歇模式下光催化放大反應(yīng)透光度降低和不均勻的問題。

 

參考文獻(xiàn)：

Org. Biomol. Chem., 2019, DOI: 10.1039 /C9OB01379B.

 

 

康寧反應(yīng)器技術(shù)

 

 

康寧LED Photo光化學(xué)流動反應(yīng)器系統(tǒng)

l 配有6個不同波長的LED光源

l LED光源強(qiáng)度可自由調(diào)節(jié)

l LED光源從玻璃模塊兩邊均勻覆蓋

l 液體冷卻延長LED使用壽命

l 由iPad無線遙控光源波長和強(qiáng)度選

l 產(chǎn)品覆蓋實(shí)驗(yàn)室研發(fā)到千噸級工