【MIT案例】 “金剛不壞”—碳化硅材質(zhì)微反應(yīng)器應(yīng)用于Wolff–Kishner還原反應(yīng)

背景介紹

Wolff–Kishner還原反應(yīng)是一種以醛或酮作為原料，在堿性條件下原料與肼作用使羰基被還原為亞甲基的反應(yīng)。該反應(yīng)的具體操作是先將反應(yīng)物與氫氧化鉀、肼和高沸點(diǎn)醇類(lèi)的水溶液混合加熱，生成腙后，將水和過(guò)量肼蒸出，待溫度達(dá)到195- 200℃時(shí)回流3- 4 h即得目標(biāo)產(chǎn)物。作為一種經(jīng)典的還原反應(yīng)，其在制藥及化工領(lǐng)域已經(jīng)有了一些摩爾級(jí)的應(yīng)用[1][2]。但想實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化，該反應(yīng)還存在一些潛在風(fēng)險(xiǎn)，主要有三點(diǎn)：第一點(diǎn)，大量過(guò)量的肼的使用存在潛在的爆炸風(fēng)險(xiǎn)；第二點(diǎn)，大量氮?dú)獾漠a(chǎn)生存在潛在的高壓風(fēng)險(xiǎn)；第三點(diǎn)，反應(yīng)器材質(zhì)的選擇也很有限（不銹鋼可能會(huì)參與反應(yīng)，玻璃在高溫下會(huì)被氫氧化鉀腐蝕）。同時(shí)，其同類(lèi)型的其他反應(yīng)各自都有較大缺陷，Clemmensen還原會(huì)產(chǎn)生大量的金屬?gòu)U水，加氫還原的適用范圍較窄。相較之下Wolff–Kishner還原反應(yīng)還原劑為廉價(jià)的肼，副產(chǎn)物僅為氮?dú)夂退＞邆湟欢ǖ拈_(kāi)發(fā)價(jià)值。MIT的 Klavs F. Jensen教授課題組開(kāi)發(fā)了一種碳化硅材質(zhì)的反應(yīng)器，利用流動(dòng)化學(xué)進(jìn)行了Wolff–Kishner還原反應(yīng)。有效的消除了一些隱患。相關(guān)成果發(fā)表在了化學(xué)類(lèi)期刊《Green Chemistry》上（Green Chem, 2014, 16, 176–180）

Table 1 經(jīng)典的Wolff–Kishner還原反應(yīng)

連續(xù)流方案

Step 1 反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)

碳化硅作為一種具有優(yōu)異化學(xué)相容性、溫度穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性能的陶瓷材料廣泛應(yīng)用于生活生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。然而在精細(xì)化工領(lǐng)域還沒(méi)有一種普適性較好的碳化硅材質(zhì)的反應(yīng)器。由此Jensen課題組開(kāi)發(fā)出了一種新型的微反應(yīng)器，該反應(yīng)器是由兩個(gè)具有相同外部尺寸和獨(dú)立內(nèi)部設(shè)計(jì)的EKasic 碳化硅（3M公司）板堆疊而成，兩塊碳化硅板上均有兩個(gè)入口、一個(gè)淬滅口及一個(gè)出口（fig. 1 a)。板上的流型通道均是通過(guò)Nd: YAG掃描激光沖蝕加工而形成（由于激光蝕刻致邊緣擋住激光而使其形成了梯形而非矩形的橫截口（fig. 1 b)）。之后將兩塊板進(jìn)口、出口、淬滅口精確對(duì)準(zhǔn)，在惰性氣體保護(hù)，1700°C，15 bar均衡壓力的條件下，兩塊板惰性鍵合完全成為一個(gè)整體(fig. 1 c)。盡管由于在邊緣施加壓力略低而導(dǎo)致形成縫隙（fig. 1 d），但反應(yīng)板內(nèi)部的截面顯示兩塊板已經(jīng)完美的融為了一體（fig. 1 e）。之后，對(duì)該反應(yīng)器進(jìn)行了測(cè)試，該微反應(yīng)器在300°C高溫，48 bar壓力的測(cè)試條件下沒(méi)有發(fā)生故障。

en課題組開(kāi)發(fā)的微反應(yīng)器

Fig. 1 Jensen課題組開(kāi)發(fā)的微反應(yīng)器

Step 2  反應(yīng)條件的優(yōu)化及底物拓展

作者以二苯甲酮作為反應(yīng)底物對(duì)壓力、溫度、停留時(shí)間、底物濃度、肼當(dāng)量、KOH當(dāng)量和溶劑等反應(yīng)條件進(jìn)行了一系列優(yōu)化（Table. 1）。最終以200 psi的壓力，200°C的反應(yīng)溫度，5 min的停留時(shí)間，0.8 M的底物濃度，1.5個(gè)當(dāng)量的肼，3個(gè)當(dāng)量的KOH，二乙二醇單yi mi為溶劑這一條件為優(yōu)異的條件。在此條件下，二苯甲烷產(chǎn)率為83%。相比于普通的釜式反應(yīng)而言，流動(dòng)化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)速度加快了100倍，肼的用量由大量過(guò)量降至1.5個(gè)當(dāng)量，同時(shí)得益于碳化硅材質(zhì)的穩(wěn)定性解決了反應(yīng)器材質(zhì)適用性的問(wèn)題。大大的提高了反應(yīng)的效率和安全性。隨后作者進(jìn)行了一系列的底物拓展（Table. 2），表明了該項(xiàng)反應(yīng)技術(shù)可以適用于絕大部分類(lèi)型醛、酮的Wolff–Kishner還原反應(yīng)。

Table. 1 條件優(yōu)化

Table. 2 底物適用性研究

實(shí)驗(yàn)討論

1 文中設(shè)計(jì)的碳化硅微反應(yīng)器（3M公司，荷蘭Chemtrix）能夠進(jìn)行一些常規(guī)材質(zhì)（玻璃、不銹鋼等）的反應(yīng)儀器無(wú)法進(jìn)行的反應(yīng)，為一些特定（腐蝕性強(qiáng)等）的反應(yīng)試劑提供了一種可靠的反應(yīng)容器。同時(shí)較釜式反應(yīng)而言，碳化硅微反應(yīng)器可以在高溫、高壓條件下較為安全的進(jìn)行反應(yīng)。

2 從釜式反應(yīng)向連續(xù)流反應(yīng)的轉(zhuǎn)變使得Wolff–Kishner還原反應(yīng)變得更加便捷，更加高效，更加安全。為該反應(yīng)的規(guī)模化、工業(yè)化生產(chǎn)提供了一條嶄新的思路。

參考文獻(xiàn)：Green Chem, 2014, 16, 176–180（文中圖片均來(lái)自于該文）

Chemtrix BV. 公司一直致力于研究實(shí)驗(yàn)室化工廠——用于制藥和化學(xué)工業(yè)的研究和生產(chǎn)的流動(dòng)化學(xué)合成系統(tǒng)，擁有從應(yīng)用于研發(fā)階段的低通量微通道反應(yīng)器（Labtrix Start，Labtrix S1）到生產(chǎn)階段的高通量微通道反應(yīng)裝置（3D-Print，KiloFlow，Protrix，Plantrix），讓使用者可以實(shí)現(xiàn)從研發(fā)到生產(chǎn)的直接跳躍。Chemtrix BV.公司是連續(xù)流化學(xué)合成技術(shù)和連續(xù)流動(dòng)化學(xué)合成儀器的供應(yīng)商，在流動(dòng)化學(xué)領(lǐng)域擁有多項(xiàng)技術(shù)，公司擁有應(yīng)用研究團(tuán)隊(duì)，總部設(shè)在荷蘭，應(yīng)用研發(fā)部門(mén)Chemtrix R&D實(shí)驗(yàn)室設(shè)在英國(guó)郝?tīng)柎髮W(xué)。由于公司強(qiáng)大的技術(shù)支持，Chemtrix除了提供流動(dòng)化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)產(chǎn)品以外，還提供以下服務(wù)：

1、合同研究、研發(fā)外包

2、化學(xué)可行性研究

3、工藝優(yōu)化

4、放大研究

5、設(shè)備工藝研究

6、合同制造

7、培訓(xùn)

反應(yīng)器采用玻璃材質(zhì)或無(wú)壓燒結(jié)碳化硅材質(zhì)，化學(xué)兼容性強(qiáng)，Chemtrix產(chǎn)品系列Labtrix Start，Labtrix S1，KiloFlow，Protrix，Plantrix為用戶提供了從研發(fā)到生產(chǎn)階段各種用途的流動(dòng)反應(yīng)合成系統(tǒng)。

深圳市一正科技有限公司，作為荷蘭Chemtrix公司（微通道反應(yīng)器）、英國(guó)AM公司（連續(xù)攪拌多級(jí)反應(yīng)器、催化加氫系統(tǒng)）、英國(guó)NiTech公司（連續(xù)結(jié)晶儀、連續(xù)合成儀）在中國(guó)區(qū)的代理商和技術(shù)服務(wù)商，為廣大高校和企業(yè)提供連續(xù)合成、在線萃取、連續(xù)結(jié)晶、在線過(guò)濾干燥、在線分析等整套連續(xù)工藝解決方案。

公司與復(fù)旦大學(xué)、南京大學(xué)、中山大學(xué)、華東理工大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)等高校研究機(jī)構(gòu)合作成立微通道連續(xù)流化學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，致力于推動(dòng)連續(xù)流工藝在有機(jī)合成、精細(xì)化工、制藥行業(yè)、能源材料、食品飲料等領(lǐng)域的應(yīng)用，合作實(shí)驗(yàn)室可以為客戶的傳統(tǒng)間歇釜式工藝在連續(xù)流工藝上的轉(zhuǎn)變提供工藝驗(yàn)證、連續(xù)流工藝開(kāi)發(fā)工作，促進(jìn)制藥及精細(xì)化工企業(yè)由傳統(tǒng)間歇工藝向綠色、安全、快速、經(jīng)濟(jì)的連續(xù)工藝轉(zhuǎn)變。

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