研究背景：

 

可見光催化具有綠色、低碳、可持續的特點，是21世紀非常具有挑戰和應用前景的發展方向之一，但常規的釜式工藝由于反應容器體積和反應介質的影響，極大地限制了其工業化應用。

 

微反應器技術因其優異的傳質和傳熱效率，持液體積小，安全性高等優勢，使得這種新型技術的應用越來越廣泛。將光催化和微反應器技術結合起來，從而獲得一種可持續化，易工業化放大的新型光化學合成技術。

 

α-官能化的β酮酸酯是一類非常重要的分子結構單元,尤其是手性α-位羥基化的β-酮酸酯類結構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。目前已有文獻報道的方法普遍存在一些阻礙其廣泛應用的問題，主要是催化劑活性低、選擇性不高、實驗條件苛刻、不適于放大反應。

 

工藝研究：

大連理工大學化工學院精細化工國家重點實驗室的研究團隊 ，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光化學反應器進行了可見光催化氧化的相關研究，同時也與傳統的釜式工藝進行了對比。

 

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，當使用催化體系PTC-6+Ps時，釜式條件，常溫下，紅光照射反應30分鐘，轉化率為97%，ee%值為80%；延長反應時間至8小時，可得最優結果，轉化率97%，ee%值可得90%。

 

在確定了最優反應條件后，作者又在該釜式工藝下進行了底物的拓展研究，結果如圖2所示。

 

圖2. 釜式工藝下底物的拓展研究

 

當底物（1a，1c，1d）苯環上為吸電子基團（Cl，Br，F）時，ee%值（84-90%）均比較優異；當底物（1e，1f，1g）苯環上有供電子基團（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的光化學反應器（圖3上部分：流程圖）上進行了對比試驗。

 

圖3. Corning AFR的光化學反應器初步對比實驗

 

將底物，催化劑，光敏劑溶于甲苯中配制成有機相；將磷酸氫二鉀溶于水中配制成水相；所得有機相和水相通過進料泵進入反應器；氧氣則通過鋼瓶和質量流量控制器進入反應器。同時對反應參數也進行了篩選。

 

圖4. 連續流工藝優化

 

結果如圖4所示，有機相流速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%的轉化率，且ee%值可達85%。

 

可以看出，使用Corning AFR光學反應器，將反應時間從斧式工藝下的8小時縮短至僅需54秒。這是基于反應器優越的傳質，傳熱效率以及優異的光利用率，能大大強化反應速率。

 

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

 

 

 

實驗總結：

總體來講，Corning AFR光化學反應器相比于傳統的釜式反應器，能大大強化反應，加快反應速度，極大地縮短了反應時間。

 

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

 

參考文獻：

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

 

 

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