光催化手性合成，釜式和連續(xù)流的比較與選擇

瀏覽次數(shù)：1238　發(fā)布日期：2020-3-16　來(lái)源：本站　僅供參考，謝絕轉(zhuǎn)載，否則責(zé)任自負(fù)

研究背景：

可見(jiàn)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(shì)，使得這種新型技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。將光催化和微反應(yīng)器技術(shù)結(jié)合起來(lái)，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(lèi)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(lèi)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(bào)道了用于合成此類(lèi)化合物的多種策略，但是最直接的制備方法是采用不對(duì)稱(chēng)催化β-酮酸酯的羥基化。目前已有文獻(xiàn)報(bào)道的方法普遍存在一些阻礙其廣泛應(yīng)用的問(wèn)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(guó)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(lèi)衍生物（β酮酸酯類(lèi)）作為底物，通過(guò)Corning AFR光化學(xué)反應(yīng)器進(jìn)行了可見(jiàn)光催化氧化的相關(guān)研究，同時(shí)也與傳統(tǒng)的釜式工藝進(jìn)行了對(duì)比。

為了使得對(duì)比的效果更明顯，更有說(shuō)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：

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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(shí)，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(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間至8小時(shí)，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。

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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(shí)，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(shí)，ee%值（78-80%）均降低。此外，空間位阻（1h，1i）的增大也會(huì)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(duì)比試驗(yàn)。

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圖3. Corning AFR的光化學(xué)反應(yīng)器初步對(duì)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(guò)進(jìn)料泵進(jìn)入反應(yīng)器；氧氣則通過(guò)鋼瓶和質(zhì)量流量控制器進(jìn)入反應(yīng)器。同時(shí)對(duì)反應(yīng)參數(shù)也進(jìn)行了篩選。

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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(shí)間從斧式工藝下的8小時(shí)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(duì)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(shí)間（54秒 vs 8小時(shí)）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(lái)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(shí)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(shì)，尤其適合可見(jiàn)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(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

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

康寧反應(yīng)器技術(shù)

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