導 讀
連續(xù)流技術(shù)成為光化學反應(yīng)新寵。Almac Sciences聯(lián)合University College Dublin和康寧歐洲技術(shù)中心，在有機合成2024特刊上，作為“工業(yè)卓越”的一部分發(fā)布最新研究成果，運用康寧反應(yīng)器與廉價壓縮空氣，實現(xiàn)苯甲基光氧化，為連續(xù)流光化學注入新動力。
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實驗研究
自2021年起，Almac Sciences與康寧公司合作，利用康寧®高通量-微通道反應(yīng)器（AFR）技術(shù)提升光化學反應(yīng)能力，旨在開發(fā)更高效的連續(xù)流合成路線，更好的應(yīng)對制藥及精細化工領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。
研究人員使用的康寧光化學反應(yīng)器
根據(jù)現(xiàn)有文獻的廣泛記載，已明確展示了多種金屬催化劑在催化特定反應(yīng)中的應(yīng)用，但這些反應(yīng)體系普遍依賴于純氧作為氧化劑。
另一方面，醌類化合物，特別是蒽醌-2-磺酸鈉（SAS），其實際應(yīng)用卻受限于較長的反應(yīng)時間，有時甚至需要長達24小時的反應(yīng)時間。
鑒于上述現(xiàn)狀，科研工作者正積極探索利用連續(xù)流技術(shù)的創(chuàng)新路徑，旨在開發(fā)一種高效、可擴展的苯基化合物連續(xù)光氧化工藝。
圖1. 蒽醌-2-磺酸鈉(SAS)光催化循環(huán)機理
SAS的催化機制清晰表明，光催化劑在從底物攫取一個氫原子后，必須經(jīng)歷與另一分子氧氣的反應(yīng)才能復原為SAS。因此，氧氣量在整個反應(yīng)過程中扮演著至關(guān)重要的角色。
此過程中，過氧化物中間體可能先轉(zhuǎn)化為醇類副產(chǎn)物，隨后進一步氧化成目標酮產(chǎn)物；或者，過氧化物中間體直接轉(zhuǎn)化為酮產(chǎn)物。
二苯甲烷(1a)模板反應(yīng)
基于上述的機理理解，研究人員精心選取了二苯甲烷(1a)作為典型反應(yīng)底物。
表1 模板反應(yīng)
在標準條件下，采用20 mol%的SAS催化劑，其催化循環(huán)確保了每輪反應(yīng)僅需0.2當量的氧氣用于再生，剩余氧氣則全部貢獻于二苯甲酮的生成。
在反應(yīng)底物1ml/min，空氣流速24.8ml/min，光源375nm，50°C條件下，二苯甲烷實現(xiàn)了近乎完全的轉(zhuǎn)化，通過精確的核磁氫譜分析，確認了二苯甲酮的產(chǎn)率高達92%。
Scale-up：規(guī)模放大與底物擴展
研究人員致力于將此流動過程實現(xiàn)安全穩(wěn)定放大。以在4小時和6小時的周期內(nèi)分別生成多克級的產(chǎn)品2a和2d。
表2. 放大及普適性研究
小規(guī)模試驗中的產(chǎn)率得到了重復。這表明該過程在穩(wěn)態(tài)條件下是穩(wěn)定的（參見表 2）。在這兩種情況下，粗產(chǎn)品中均發(fā)現(xiàn)殘留有少量底物及相應(yīng)的仲醇（約5-10%），這與之前的觀察結(jié)果一致。
特例：醛酮差異化研究
鑒于酮和醛產(chǎn)物形成反應(yīng)性的差異，作者決定在光氧化條件下采用如1-乙基-4-甲基苯（1o）等底物，如圖2所示。
圖2. 1-乙基-4-甲基苯的光氧化
研究揭示，酮2o是主要的生成產(chǎn)物，而醛3o和雙重氧化產(chǎn)物2m作為次要產(chǎn)物獲得。當改變反應(yīng)條件時，這一結(jié)果得以重現(xiàn)，并且酮2o約占粗產(chǎn)品的45%，表明還生成了不同的部分氧化中間體。
實驗結(jié)論
光催化工藝創(chuàng)新：
以SAS為催化劑，實現(xiàn)烷基苯光氧化制酮醛，連續(xù)流工藝縮短停留至60秒內(nèi)，提升效率。采用壓縮空氣供氧，結(jié)合康寧AFR反應(yīng)器，綠色環(huán)保，減排顯著。
工藝優(yōu)化與通用性：
優(yōu)化流速、催化劑量及光源波長，提升反應(yīng)效果。該法通用性強，適應(yīng)多底物，反應(yīng)靈活，支持定制化生產(chǎn)。穩(wěn)態(tài)運行6小時，驗證工業(yè)化潛力。
康寧AFR前景展望：
未來，性能優(yōu)化與跨界融合將拓展其應(yīng)用，推動光催化技術(shù)快速發(fā)展。
參考文獻：
Org. Process Res. Dev. 2024, 28, 8, 3307–3312
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