一、背景介紹

LED光源的持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)了光化學(xué)在有機(jī)合成中的應(yīng)用，但想實現(xiàn)＞100 kg規(guī)模的光化學(xué)合成仍然存在一定困難，主要是因為傳統(tǒng)釜內(nèi)光的穿透性較差。連續(xù)流能夠通過平推流或連續(xù)攪拌使得反應(yīng)液能夠更加接近高強(qiáng)度的光源，有效克服了傳統(tǒng)反應(yīng)釜的缺陷。

圖1. [2 + 2]光化學(xué)環(huán)加成制備化合物2

近期，凱萊英的研究人員使用順丁烯二酸酐（1）和乙烯進(jìn)行[2 + 2]光化學(xué)環(huán)加成反應(yīng)（圖1），并對該工藝進(jìn)行了優(yōu)化放大，獲得了很好的量產(chǎn)化結(jié)果。

二、 實驗部分

首先研究人員對反應(yīng)條件進(jìn)行了優(yōu)化，使用365 nm波長LED燈作為光源使用苯甲酮作為光敏劑，對反應(yīng)溶劑進(jìn)行了篩選（圖2），由圖中可以看出，結(jié)合轉(zhuǎn)化率和選擇性，丙酮是該反應(yīng)的ZY溶劑。

圖2. 不同溶劑對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和純度的影響

然后對光敏劑用量進(jìn)行了篩選（表1），為了平衡反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和后處理重結(jié)晶效率，ZZ選擇10 %摩爾當(dāng)量的光敏劑用量。

表1.光敏劑用量對反應(yīng)產(chǎn)能的影響

接著，研究人員對反應(yīng)所用的管線內(nèi)徑、混合方式、LED光源功率等設(shè)備參數(shù)進(jìn)行了研究（表2）.

表2.裝置設(shè)計對反應(yīng)產(chǎn)能的影響

ZH為了達(dá)到500 g/天產(chǎn)能的要求，研究人員自主搭建了一套光化學(xué)反應(yīng)裝置（圖3）。結(jié)合之前的實驗數(shù)據(jù)設(shè)定了驗證性運行的具體實驗條件（表3）。該系統(tǒng)連續(xù)運行了51 h，間隔4 h取樣進(jìn)行轉(zhuǎn)化率和收率的檢測以驗證工藝的穩(wěn)定性，分離收率達(dá)到91 %，產(chǎn)能達(dá)到646 g/天（圖4）。

圖3. 500克/天產(chǎn)能工藝試運行的流程圖

表3.驗證性運行的實驗條件

圖4. 51小時驗證性運行的取樣結(jié)果

三、擴(kuò)展實驗    

為了達(dá)到5 kg/天的目標(biāo)產(chǎn)能，研究人員對現(xiàn)有裝置進(jìn)行了改造，并在設(shè)計過程中進(jìn)行過程安全分析的考慮，通過引入PLC系統(tǒng)、加裝氣體報警傳感器、加入壓力傳感器等措施對反應(yīng)裝置進(jìn)行改進(jìn)，以確保生產(chǎn)過程中的安全措施（圖5）。

1. 生產(chǎn)裝置由三個獨立模塊組成 （20.76 L持液體積，10 mm外徑)，光源由6個3 kw 的365 nm 波長LED面板組成（圖6）。

圖5. 生產(chǎn)裝置改進(jìn)流程圖

圖6.生產(chǎn)規(guī)模的光化學(xué)裝置實物圖

2. 研究人員使用上述裝置進(jìn)行工程運行以驗證工藝，并對反應(yīng)停留時間的邊界條件進(jìn)行了探索（圖7），由圖中可以看出，當(dāng)反應(yīng)停留時間小于2h時，原料剩余會大于5%，因此反應(yīng)停留時間需控制在2h以上。

圖7.工程運行的總結(jié)

表4. 示范運行的實驗條件

隨后研究人員又使用該裝置進(jìn)行了45 h的不間斷的示范性運行（表4）。ZH，研究人員使用該裝置連續(xù)不間斷運行了1周，經(jīng)過優(yōu)化，反應(yīng)停留時間由原來的2 h降低至1.9 h（圖8），間隔6 h取樣，確保原料剩余小于5 %，經(jīng)過1周的穩(wěn)定運行，獲得了51.8 kg的化合物2，超過了5 kg/天的生產(chǎn)目標(biāo)，經(jīng)過多批次生產(chǎn)共獲得大于250 kg的化合物2。

圖8. 批量生產(chǎn)化合物2的結(jié)果

四、實驗總結(jié)

● 作者通過對反應(yīng)條件的篩選、實驗參數(shù)調(diào)整及生產(chǎn)前詳盡的過程安全評估，完成了順丁烯二酸酐和乙烯的[2 + 2]光化學(xué)連續(xù)流環(huán)加成反應(yīng)的放大生產(chǎn)，并實現(xiàn)了大于5 kg/天的生產(chǎn)目標(biāo)。為后繼開發(fā)者提供了思路和參考

● 連續(xù)流動化學(xué)為大家拓寬了光化學(xué)合成反應(yīng)的領(lǐng)域，幫助大家跳出釜式反應(yīng)的限制。光化學(xué)反應(yīng)的工業(yè)化，進(jìn)步空間還很大，相信更多的研究案例會出來。

**此外：

● 從文中可以看出，小試和放大的工藝條件并不相同，也就意味著使用自制的反應(yīng)器可能存在著放大效應(yīng)；

● 光化學(xué)反應(yīng)液濃度較稀，自制反應(yīng)器會受到產(chǎn)能的限制；

● 康寧反應(yīng)器無放大效應(yīng)，從實驗室小試到工業(yè)化生產(chǎn)可以省去中間參數(shù)重新優(yōu)化以及設(shè)備更改的時間和工作量，大大提GX率和質(zhì)量。

● 康寧G3光化學(xué)反應(yīng)器年通量可達(dá)1000噸，滿足客戶不同級別的產(chǎn)能需求。