【名家案例】固定床与康宁Lab光化学反应器结合实现无金属催化ATRA反应

  2.1 反应过程优化

通过NaOCl和哌啶在充满填料的玻璃柱固定床反应器中进行反应，经过膜分离系统(图2左)分离出含有N-氯哌啶的有机相，与烯烃在康宁LRS光化学反应器中进行反应(图2右)。

图2左 在线膜分离系统   图2右 康宁LRS光化学反应器装置照片

作者以该光化学反应为模板反应，对反应温度、反应停留时间、光源波长、进料方式等条件进行了筛选（表1）。

表1.连续流中N-氯胺的形成和光化学ATRA反应的优化

利用康宁Lab光化学反应器，在365 nm波长下，获得了99 %的原料转化率和96 %的分离收率；同时，在添加9-芴酮作为三线态光敏剂的作用下，该反应也可以在405 nm波长下获得定量的转化率和收率。  

2.2 机理和光敏剂筛选

作者对不同的三线态光敏剂进行了筛选（表2），并对光敏剂的能量分布曲线和反应机理进行了研究（图3），可以看出使用9-芴酮作为光敏剂的作用效果最 佳。

表2.连续流中合成化合物4的三线态光敏剂的筛选

图3. 三线态光敏化合成N -氯胺的ATRA反应机理分析

2.3 底物拓展

着对这一反应机理的了解，作者考察了该反应在胺类和烯烃类化合物中反应的应用范围（图4），可以看出大多数底物使用该模板反应条件均取得了良好的收率。

图4. 在流动中的底物范围，相对于a)烯烃和b)胺

反应条件：1.5当量胺，1.5当量H2SO4，1分钟停留时间，20°C，365nmLED照射；^a反应在7°C下进行；^b反应使用1.1当量胺和H₂SO₄进行；^c反应使用9-芴酮(5mol％)和405nmLED照射。

2.4 工艺稳定性验证

作者为了验证该工艺条件的稳定性，对化合物6进行了合成，并进行了4.5 h的长时间稳态运行（图5）。

图5.长时间稳态运行的结果

a) 通过在线紫外分光光度计测定N-氯胺哌啶3的浓度。

b) 通过气相色谱分析产品收率随时间的变化，平均收率显示为虚线，并通过选择三个部分(每个部分约5.2 g)进行分离收率的验证。

使用在线紫外分光光度计和气相监测反应，并在不同的时间段取样进行后处理，平均收率达到94 %，获得了95.6 g的产物。

在体积仅为2.77 mL的康宁LRS光化学反应器上产能达到21.2 g/h，时空收率可以达到7.65 kg/L/h。

1. 通过使用连续流工艺，作者巩固了N -氯胺作为光化学ATRA反应底物的实用性，在放大过程中，N-氯胺可以通过胺与次氯酸钠反应获得，并通过在线萃取进行分离；

2. 后续的光化学反应对反应溶剂、反应液浓度、光源波长和光敏剂进行了筛选，并使用无毒的溶剂进行反应；

3. 作者同时对光敏剂的能量分布曲线和反应机理进行了研究；

4. 该连续流工艺与一系列的胺类和烯烃类化合物具有兼容性；

5. 通过康宁Lab光化学反应器的放大和稳定性实验，该工艺可以实现规模化、更高效工业化放大生产。

参考文献：

React. Chem. Eng., 2021, 6, 2434–2441