光化学反应
光化学技术在可持续化学操作中具有巨大潜力,因为它使用光而非传统试剂,既无痕迹也无毒。然而,光在液体介质中的传输随着路径长度的增加而减少,这限制了光化学转化的规模。这种限制可以通过从传统的间歇釜式工艺过程转变为微反应连续流动过程来巧妙地避免,因为微反应连续流动过程的大表面积与体积比可以提高整个溶液的照射效率,从而显著增强反应速率,并允许化学合成扩展到实用的数量级。由于这些基本优势,微反应连续流动过程在光化学和连续有机合成的各个领域中均有被广泛使用。由紫外光引起的反应包括重排、环加成、环化或自由基链过程等,在合成有价值的分子方面有大量的应用。在光化学条件下,活性分子可以转化为其激发态,从而实现其他合成方法通常无法实现的转化。高复杂性的化学结构可以在单个光化学步骤中生成,有时甚至不需要任何额外的试剂。因此,这种策略在绿色和可持续制造的背景下受到了大家的广泛关注。
微反应器系统内连续光化学反应案例
在所有的光化学转化中,[2+2]环加成是有机合成中研究最多的一类转化,是从烯烃获得环丁烷衍生物的一种直接方法。为了将这种转变的应用范围扩展到更具挑战性的起始材料,Beeler团队研究了肉桂酸甲酯328在流动条件下的[2+2]光环加成反应(如下图所示)。在最初的实验中,研究人员使用的是在305nm波长以上照射的线圈式反应器,在8h内发生了部分转化。在先前使用大分子主-客体系统的研究的基础上,作者推测,这一过程可以通过双氢键催化剂来进行促进。此外,该催化剂还可以通过降低偶联体的HOMO/ LUMO间隙来进一步促进反应发生。此硫脲衍生物329催化剂将转化率从29%提高到76%(60%分离产率),非对映选择性也显著提高。
重排是另一类重要的光化学反应类型。它们可以为通过可逆或不可逆异构化合成有价值的分子提供有用的策略。抗炎药物布洛芬的合成是连续流生产原料药的经典例子之一,已由Jamison和McQuade小组利用纯热反应完成。2016年,Baxendale及其同事提出了一种基于α-卤代丙烯酮中间体330的光化学Favorskii重排的替代方法。如下图所示,将α-氯酮330和2-甲基环氧乙烷溶解在丙酮/水混合物中,并泵送进入缠绕在中压金属卤化物灯周围的盘管式反应器。当温度高于80°C时,可在20min钟内完全转化化合物330,但是目标产物的选择性不高。当温度为30°C时反应产物更干净,但转化率低于80%。上述问题作者通过在线圈和光源之间放置一个过滤器来解决,该过滤器提供了365nm的几乎单色照射。改进的条件可以实现底物的完全转化和良好的选择性(84%)。在制备规模上,作者在4h内分离了1.56g(76%)的API 331,从而显示了光化学连续流技术在更大规模合成有价值分子方面具有潜力。
紫外线照射可以通过光诱导电子转移过程触发化学反应。当有机卤化物在化学计量量的电子供体(如叔胺)存在下进行辐照时,自由基脱卤可以产生一个碳自由基。Ryu研究团队使用了一个不锈钢芯片反应器(宽度1mm,深度200μm),配有石英盖,在连续流中启动5-exo-dig环化反应(如下图所示)。使用浓度为0.1M的低压汞灯(254nm),停留时间范围在3.8-8min足以获得中等至优异的产率。同样条件下,在石英试管(直径1.3cm)中的反应转化率很低(13%)。
光化学反应是烃类化合物的氯化反应实现工业规模生产的标准技术。这些自由基链式反应是由紫外线照射下Cl2的均裂引起的。由于存在安全隐患,在实验室尺度上通常会避免涉及Cl2的反应。如下图所示,为了规避这些安全问题,Kappe和Ryu研究团队报道了Cl2的连续、按需生成,用于下游工艺中烷烃的光催化氯化。HCl和NaOCl的水溶液在T型微混合器中进行混合,最终形成气态Cl2。将生成的含Cl2的产品流与纯净的烃类化合物混合后,泵送通过一个用352nm光源照射的玻璃微芯片微反应器。在反应器单元后,反应混合物用Na2SO3淬灭。对于所有测试的底物,微反应器内的光催化氯化反应的最大停留时间为1min,通过GC分析确定所需产品的收率良好。
Fagnoni研究团队使用了一种基于线圈的光化学微反应器,用于π亲核试剂与芳基卤化物的连续芳基化。如下图所示,经中压汞灯照射后,Ar-X键的异裂解产生三态苯基阳离子,它随后可以被均三甲苯捕获,从而产生所需的产品。间歇釜式工艺的反应时间较长(长达45h),而在微反应连续流系统中,反应时间可以被缩短至75−300min。
Li研究团队报道了芳基卤化物在连续流动条件下的光化学硼化反应。使用水银灯照射FEP线圈微反应器的连续流工艺不仅显著缩短了反应时间(15min),而且还减少了B2(pin)2的用量(1.5eq)。在优化的条件下,作者检查了上述光化学过程的应用范围和局限性,结果表明使用芳基碘化物和溴化物可以获得优异的产率。此外,作者还表示,利用二硼酸可以用来制备芳基硼酸,随后可以用KHF2转化为相应的芳基三氟硼酸钾。
Lebel团队开发了一种铁催化的硫化物和亚砜的光化学胺化反应,如下图所示,Fe(acac)3在365nm紫外光下活化,与三氯乙氧基磺酰叠氮化物(TcesN3)反应生成亚硝基铁或类硝基铁,随后诱导硫化物胺化。由于反应在较高温度(40°C)下同样有效,因此没有使用冷却过程。由于反应过程形成了化学计量的氮气,因此需要使用背压调节器来控制停留时间。在优化条件下,铁催化剂用量为10mol%,叠氮化物用量为1.5mol%。停留时间为50~90min时,可以得到良好的收率。此外,作者表明他们的方法是立体特异性的,并且亚砜原料的对映体比例保持不变。
参考文献
[1]Angew.Chem.,Int.Ed.2015,54,11521−11525.
[2]React.Chem.Eng.2016,1,147−150.
[3]Org.Lett.2016,18,5444−5446.
[4]React.Chem.Eng.2016,1,613−615.
[5]Org.Biomol.Chem.2016,14,853−857.
[6]Adv.Synth.Catal.2016,358,1164−1172.
[7]Chem.Sci.2016,7,3676−3680.
[8]ACSCatal.2016,6,1109−1112.
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