柱型連續(xù)流動反應裝置MCR-1000型是基于連續(xù)流動合成方法的原理和標準而開發(fā)。反應裝置由反應柱和恒溫槽構成,再配備實驗室常規(guī)的送液泵就可以開始流動合成的工作,為以后大規(guī)模流動合成方法的工業(yè)化生產(chǎn)提供先期基礎數(shù)據(jù)。反應柱采用的是可以反復填裝的柱型,對于催化劑的篩選也能發(fā)揮巨大的威力。
有機合成裝置PPS系列可進行新反應和催化劑的研發(fā)、研究反應條件、篩選試驗、樣品合成和中間體合成等實驗研究,提高合成流程效率的5組平行有機合成裝置??煞謩e設定不同的溫度,并能同時進行不同溫度條件下的合成實驗。標準附帶了回流、氣體置換、加熱·冷卻、攪拌功能,可以在醫(yī)藥品研發(fā)、催化劑研發(fā)、功能性材料研發(fā)方面發(fā)揮更好的作用。
蒽醌衍生物因具有經(jīng)濟價值應用廣泛。醌茜隱色體,2電子還原型的醌茜(1,4-2羥基-蒽醌)是一種合成蒽醌衍生物的高活性原料。醌茜隱色體傳統(tǒng)合成方法需要嚴格無機還原劑和酸或者堿的化學計量。作者(ACS Catalysis 14.13(2024):7.)開發(fā)了具有高效、高選擇性非均相聚二甲基硅氧烷-氧化鋁負載鉑或鉑-鎳催化劑用于還原醌茜制備醌茜隱色體,并可在溫和的連續(xù)流狀態(tài)下進行。鎳和鉑納米顆粒雙金屬效應在取代型醌茜選擇性氫化中起到至關重要作用。另外,使用連續(xù)-間歇工藝反應器醌茜隱色體及其衍生物的連續(xù)流動合成工藝被整合為全連續(xù)化操作。
FBS unified reactor system EYELA MCR-1000 (SynpleFlowTM) PPS-1511 system (ChemiStationTM)
如圖1c,作者使用連續(xù)流-間歇反應器合成醌茜隱色體及其衍生物并進一步合成取代蒽醌和1,4二氨基蒽醌。作者先使用商品化氧化鋁、氧化硅或碳負載的鉑或鈀催化劑氫化醌茜還原制備醌茜隱色體在一個大氣壓、室溫下使用四氫呋喃溶劑間歇反應器中反應6小時。但反應后原料仍有殘留,另外鉑催化劑催化效果相對優(yōu)于鈀催化劑,但鉑催化劑得到的TOF值不高。
作者使用連續(xù)流技術還原醌茜制備醌茜隱色體。但大多數(shù)溶劑不能溶解醌茜,作者使用四氫呋喃溶解醌茜得到濃度0.05 M濃度的醌茜四氫呋喃溶液。非均相催化劑和沸石混合物填充至反應柱內(nèi),柱子內(nèi)催化劑中金屬含量為0.008 mmol。反應原液和氫氣經(jīng)過同心分散板進入催化柱內(nèi)室溫條件下無背壓控制。進口端壓力為1.2倍大氣壓,進液速度為變量并得到該變量下不同的轉(zhuǎn)化率、選擇率和TOF值。表1所示每種催化劑對應的連續(xù)流工藝下的TOF值,該TOF值明顯大于同樣催化劑在間歇反應器中的TOF值。連續(xù)流下氧化鋁負載的鈀或鉑催化劑表現(xiàn)出較高轉(zhuǎn)化率,得到的TOF值分別為19 h-1和26 h-1。二氧化硅負載鈀催化劑得到較低TOF值。氧化硅負載鉑和碳負載鉑催化劑得到TOF值分別為26 h-1和47 h-1。但物料轉(zhuǎn)化不完全。使用現(xiàn)有商業(yè)催化劑連續(xù)流工藝中很難得到高轉(zhuǎn)化率、高選擇性效果。作者用聚二甲基硅氧烷和氧化鋁復合型載體負載納米貴金屬,得到高選擇性催化和TOF值高達128 h-1。在13.5 h連續(xù)流動合成中得到TON值超過1000,并且原料完全轉(zhuǎn)化。結果表明聚二甲基硅氧烷-氧化鋁負載的鉑催化劑不僅沒促進副反應進行也表現(xiàn)出了較高TOF值。
連續(xù)流條件下使用聚二甲基硅氧烷-氧化鋁鉑催化劑催化氫化2位取代醌茜。由于大多數(shù)溶劑不能溶解取代型醌茜,作者用四氫呋喃溶解制備低濃度7.5-10mM溶液。2位取代醌茜轉(zhuǎn)化為醌茜隱色體的轉(zhuǎn)化率較低,如圖2TOF值僅為2.7h-1。作者進一步使用雙貴金屬催化劑,發(fā)現(xiàn)聚二甲基硅氧烷-氧化鋁鉑和鈀催化劑表現(xiàn)出較好催化性能,提高了TOF值、也沒有副產(chǎn)物。流出的產(chǎn)品經(jīng)過蒸發(fā)濃縮可得到分析純度的取代型醌茜隱色體。連續(xù)流合成下作者進一步拓寬底物范圍,發(fā)現(xiàn)聚二甲基硅氧烷-氧化鋁鉑和鈀催化2位苯環(huán)取代的醌茜和2位帶取代基的苯取代的醌茜還原出的產(chǎn)品經(jīng)過蒸發(fā)濃縮可得到分析純度的取代型醌茜隱色體。
作者設計出連續(xù)-間隙-分離系統(tǒng),該系統(tǒng)適用于圖3兩種催化反應并整合了在線分離和間歇反應器技術。連續(xù)流聚二甲基硅氧烷-氧化鋁鉑催化合成出的醌茜隱色體四氫呋喃混合物和殘留氫氣進入裝有空氣冷凝器的分水器反應瓶內(nèi)完成縮合反應,同時催化量的哌啶乙酸鹽、親電試劑醛和1-甲氧基-2-丙醇泵入該反應瓶內(nèi),溫度控制在110 ℃。低沸點四氫呋喃溶劑和殘留氫氣分別進入分水器內(nèi)和排出。待一定量反應物料進入燒瓶內(nèi)保持12小時。醌茜轉(zhuǎn)化為2位取代性醌茜,收率為75%。相應地使用聚二甲基硅氧烷-氧化鋁負載鉑鈀連續(xù)催化3位取代的2-己基-醌茜(1 i)并在反應瓶內(nèi)完成縮合得到雙位取代型醌茜(1 L)。
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