連續(xù)流光化學(xué)反應(yīng)器在芳基重氮酯參與的環(huán)丙烷化反應(yīng)中的應(yīng)用

研究背景

芳基重氮酯在有機(jī)合成領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，特別是與雜環(huán)進(jìn)行環(huán)丙烷化反應(yīng)，能夠得到重要的藥物中間體（圖1）。芳基重氮酯在學(xué)術(shù)研究中也具有很高的價值，但由于其毒性和爆炸性，在工業(yè)化中的應(yīng)用受限。

圖1. 衍生自環(huán)丙烷化雜環(huán)的醫(yī)藥中間體和藥物

化學(xué)工藝的發(fā)展受安全性、工藝穩(wěn)定性、成本和環(huán)境等因素驅(qū)動。

連續(xù)流微通道反應(yīng)器可以有效解決芳基重氮酯在工業(yè)應(yīng)用中的安全性問題。它的明顯優(yōu)勢包括，

• 其更大的比表面積，能夠提供更好的傳質(zhì)換熱效果；

• 持液體積大大減少，能夠有效降低重氮化合物爆炸產(chǎn)生的危害性；

• 在背壓條件下可便捷的處理重氮類化合物參與的析氣反應(yīng)。

可見光作為一種清潔、無污染的能源在成本、原子效率和可持續(xù)性等方面于連續(xù)流反應(yīng)器相結(jié)合。可用于在環(huán)境條件下為化學(xué)反應(yīng)提供動力。連續(xù)流光化學(xué)反應(yīng)器可解決由于透射光與路徑長度的對數(shù)相關(guān)性（比爾-蘭伯特定律）導(dǎo)致光化學(xué)間歇反應(yīng)的放大效應(yīng)問題。

近期，德國雷根斯堡大學(xué)Joshua P. Barham教授等人在前人研究的基礎(chǔ)上，通過使用康寧連續(xù)流光化學(xué)反應(yīng)器AFR-Lab Photo，對芳基重氮酯與雜環(huán)的反應(yīng)進(jìn)行了深入研究（圖2，圖3），該文章發(fā)表在Green Chemistry上。

研究過程

一.釜式工藝條件探討與光催化確認(rèn)

作者首先在釜式條件的基礎(chǔ)上對反應(yīng)溫度、停留時間、光強(qiáng)度、反應(yīng)濃度、溶劑等條件進(jìn)行了考察（表1）。研究中，作者發(fā)現(xiàn)碳酸二甲酯（DMC）能夠有效提升反應(yīng)的選擇性和收率，且避免使用毒性大、易揮發(fā)、對環(huán)境有害等缺點的二氯乙烷（DCE）。

此外，作者通過對照實驗，驗證了該反應(yīng)只有在光催化條件下才能夠發(fā)生反應(yīng)。

圖2. A：釜式條件下進(jìn)行的可見光參與的光化學(xué)環(huán)丙烷化；B：續(xù)流條件下不飽和碳進(jìn)行的光化學(xué)環(huán)丙烷化；C：連續(xù)流條件下雜環(huán)的光化學(xué)環(huán)丙烷化

圖3. 光化學(xué)反應(yīng)器實驗裝置的整體布局

表1. 初始單因素篩選實驗

二. DoE工藝條件設(shè)計

接著，作者利用DoE實驗方法對光強(qiáng)、反應(yīng)底物當(dāng)量、反應(yīng)停留時間等因素進(jìn)行了考察，為了研究單因子的顯著（α=0.05）效應(yīng)以及多因子相互作用對反應(yīng)的可能存在，采用了“兩水平全因子”設(shè)計，設(shè)計包括了8個實驗和幾個驗證誤差的中心點。

三. 工藝條件篩選

得益于連續(xù)流反應(yīng)器快速篩選的能力，僅用了兩個下午的時間就完成了全部DoE條件的篩選（圖4）。

圖4. 針對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、收率、選擇性、產(chǎn)能的DoE條件篩選

表2. DoE模型結(jié)果確認(rèn)

從DoE的結(jié)果分析可以看出，四種應(yīng)變量都不受多因子相互作用的影響。轉(zhuǎn)化率僅受兩個因素的影響，總流速和光強(qiáng)。正如預(yù)期的那樣，流速越大，停留時間越短，則轉(zhuǎn)化率下降；而光強(qiáng)越強(qiáng)，則轉(zhuǎn)化率更高。作者進(jìn)而以反應(yīng)選擇性為  Z 高優(yōu)先級，選擇Z 佳實驗條件，進(jìn)行了模型結(jié)果的確認(rèn)（表2）。

四. Z 佳工藝條件下克級放大

隨后，作者在此實驗基礎(chǔ)上對反應(yīng)液濃度進(jìn)行了提高，對比了釜式和連續(xù)流條件下的Z 佳結(jié)果，并進(jìn)行了克級的放大，產(chǎn)能由原來的0.61 g/h提升至1.34 g/h，運(yùn)行了7.4 h獲得了9.9 g的產(chǎn)物（圖5），由圖中可以明顯看出，連續(xù)流與釜式相比，效率大幅度提高，由于連續(xù)流反應(yīng)器持液體積更小，相比釜式而言安全風(fēng)險更低。

圖5. 釜式反應(yīng)與連續(xù)流反應(yīng)的結(jié)果對比

五. 底物拓展性研究

Z后，作者以該模板反應(yīng)為基礎(chǔ)對不同底物進(jìn)行了反應(yīng)適用性擴(kuò)展，其對大部分底物均有良好的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性。此連續(xù)流光化學(xué)催化方法每小時能成功地提供數(shù)百毫克的產(chǎn)物，作為高度官能團(tuán)化的中間體，可以用于進(jìn)一步的合成。

總結(jié)

• 研究者報告了一種光催化連續(xù)流方法，以雜化化合物和芳基重氮化合物為原料，高選擇性、高轉(zhuǎn)化率的制備環(huán)丙烷類化合物；

• 重氮化合物的爆炸性及其在反應(yīng)中氮氣釋放有關(guān)的危害性可以通過微通道模塊的背壓和較小的持液體積來安全控制；

• 反應(yīng)器系統(tǒng)的穩(wěn)健性允許通過DoE快速篩選Z 優(yōu)條件，并確定了對反應(yīng)選擇性和產(chǎn)率提高的關(guān)鍵因素；

• 該反應(yīng)適用各種雜環(huán)化合物和芳基重氮酯的反應(yīng)，使用碳酸二甲酯作為一種無毒、可生物降解的綠色溶劑可以容易地將反應(yīng)放大到克/小時的產(chǎn)能。