康寧光化學反應器：流動化學點亮烯烴光氧化新篇章

來源：康寧反應器技術有限公司分類：應用方案

2025-05-29 09:30:17 13閱讀次數

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研究背景：

光氧化反應因其僅依賴豐富的氧氣和可見光照射，被視為最具原子經濟性和可持續性的反應之一。特別是[2+2]-環加成和Schenck烯反應可分別生成1,2-二氧雜環丁烷和烯丙基過氧化物。

反應機理

A) 烯烴的光氧化反應生成烯丙基過氧化氫和1,2-二氧烯類；

B) 從烯丙基過氧化氫合成的天然產物和藥物；

C) 基于 1,2-二氧烯的化學發光化丙基過氧化氫合成的天然產物和藥物。

這兩類化合物在生物分析、診斷應用以及合成前體中具有重要價值。然而，傳統批處理條件下的光化學單線態氧化反應存在諸多問題：

大規模反應中光穿透深度有限

氧氣與易燃有機溶劑混合帶來安全隱患

氣-液傳質效率低下

康寧歐洲認證實驗室比利時列日大學Jean-Christophe M. Monbaliu教授及其合作者致力于烯烴的光氧化反應研究。該團隊系統研究了流動化學條件下多種烯烴的光氧化反應，旨在開發更安全、高效、可控且可持續的合成1,2-二氧雜環丁烷（一類重要的化學發光探針）和烯丙基氫過氧化物（一類有用的合成砌塊）的新方法。

研究過程

流動光氧化體系的精細調控與優化

圖 1. 選定化合物1a作為模型底物的光氧化反應通用流程裝置示意圖。BPR：背壓調節器；MFC：質量流量控制器；P：注射泵；R1：采用紅色LED（610 nm）照射的反應器盤管；R2：紅色LED（610 nm）照射的玻璃模塊

研究團隊首先對比了自制（DIY）流動反應裝置和商用Corning Advanced-Flow Lab Photo Reactor在模型烯烴 1a（一種含吖啶環的金剛烷基烯烴）光氧化反應中的表現。通過系統考察光敏劑亞甲基藍（MB）用量、停留時間、反應溫度、氧氣流速及LED光強（610 nm紅光）等參數。

DIY裝置優化結果：

圖2. DIY裝置

在-5 °C，MB用量6 mol%，停留時間僅需50秒，即可實現烯烴 1a 的完全轉化，目標產物1,2-二氧雜環丁烷 2a 的產率高達94%，生產效率約1.4 g/h。相比之下，傳統間歇反應即使在-5°C下反應1小時，產率僅34%。

Corning反應器優化結果：

圖3. Corning Advanced-Flow^?Lab Photo Reactor

進一步優化后，在-5 °C，MB用量降至3 mol%，停留時間2分鐘，產物 2a 產率提升至97%，生產效率約600 mg/h，且副產物（熱分解產物 3a 和 4a）得到有效抑制（<3%）。

DIY裝置和Corning反應器優化結果的比較：

即使在兩種裝置中 LED 功率相似，Corning反應器中平面堆疊配置（LED 面板安裝在流體玻璃模塊的兩側）確保了更均勻的照射，從而獲得更高的光子通量密度。
此外，Corning反應器的玻璃模塊中集成的心形結構改善了氣液混合，相較于自制的 PFA 卷管裝置，增強了光氧化效率。

底物范圍探索：1,2-二氧雜環丁烷的高效合成

基于優化的流動條件（通常為：底物濃度25mM，MB 3 mol%，CH?Cl?溶劑，液相流速1.25 mL/min，O?流速1.25 mL/min或12.5 mL/min，-5°C，610 nm LED，10%或100%光強），研究團隊考察了不同結構烯烴的[2+2]環加成反應性能，其產率、轉化率與分解率。

流動條件下含金剛烷三環芳香烯烴的光氧化反應

圖4. ^a儲備液配制：將烯烴1a-d（25 mM）與亞甲藍（MB，3 mol%）溶于二氯甲烷（CH₂Cl₂）。溶液以1.25 mL/min流速泵入，氧氣以12.5 mL/min流速通入。反應體系采用紅色LED（610 nm）照射，反應器溫度設定為-5℃。

流動條件下含金剛烷烯烴的光氧化反應

圖5. ^a儲備液配制：將烯烴8a-f (25 mM)與亞甲藍(MB，3 mol%)溶于二氯甲烷(CH?Cl?)中。溶液以1.25 mL/min流速進料，氧氣以12.5 mL/min流速通入。反應混合物在紅色LED(610 nm，光強100%)照射下進行，反應器溫度維持在-5°C。

特殊烯烴

圖6 流動條件下苯乙烯基(12)與苯乙炔基取代二氫呋喃(13)的光氧化反應.

總之，這些結果表明，富電子的烯烴主要轉化為1,2-二氧烯，而當烯烴具有烯丙氫時，導致過氧化氫的烯加成反應可能是主要或競爭反應。此外，烯烴取代基的性質（電子供體能力、氫鍵受體和/或供體的存在、幾何形狀和立體障礙）不僅影響單態氧加成的成功，還決定了反應路徑。

計算機模擬

洞悉反應活性與選擇性

對光氧化過程的全面量子力學描述可以提供關于觀察到的實驗趨勢的有價值信息。作者采用了一種基于單一 ab-initio計算的簡單化學計量學方法，應用于起始結構，以便從更大的化學結構領域收集實驗數據，朝著開發通用光氧化模型的方向邁進。因此，作者僅考慮由最高占據分子軌道（HOMO）和最低未占分子軌道（LUMO）組成的電子描述符。

PCA在全數據集上的結果分析

采用密度泛函理論（DFT B3LYP/6-31G(d)）計算烯烴的HOMO/LUMO能量、Mulliken電荷、參與反應雙鍵原子的HOMO/LUMO軌道系數等電子描述符。利用主成分分析（PCA）和線性判別分析（LDA）構建化學計量學模型。

圖7. PCA在全數據集上的結果圖示：A) PC1、PC2與PC3的三維散點圖 B) PC1與PC2的二維散點圖 C) PC1與PC3的二維散點圖 D) 各主成分的方差解釋率

對數據集進行了主成分分析（PCA），使用了三個主成分（PCs）。所得到的模型能夠解釋前兩個主成分中73.6%的總方差，其中第一個、第二個和第三個主成分分別解釋了32.3%、2 4.8%和19.8%的方差。
PCA分析顯示反應性與非反應性烯烴在主成分空間中有一定程度分離，但聚類不完全清晰。

線性判別分析（LDA）技術

作者深入進行更定量的化學計量學研究，并使用線性判別分析（LDA）技術對包含16種反應性和7種非反應性分子的完整烯烴數據集進行分類任務。

圖8. 全烯烴數據集的LDA結果

該LDA模型在由40種文獻報道的吖啶類烯烴（28種反應性，12種非反應性）組成的獨立測試集上表現出良好的預測能力，準確率達到85% (34/40)。

模型預測錯誤的分子通常具有易發生自由基副反應或淬滅光敏劑的結構特征（如芐基位置、萘基部分）。這為高通量篩選潛在光氧化底物提供了有價值的理論指導。

圖9. 測試集上線性判別分析(LDA)反應活性預測結果：A) LDA模型預測結果的混淆矩陣 B) 預測錯誤化合物的分子結構（顏色對應實驗分類：紅色=無反應活性，綠色=有反應活性）

總結與展望

本研究成功展示了流動化學技術在烯烴光氧化反應中的強大應用潛力。通過精細調控反應條件，實現了多種結構1,2-二氧雜環丁烷和烯丙基氫過氧化物的高效、安全及可控合成。
關鍵產物高效合成實例：1,2-二氧雜環丁烷 2a（Corning光化學反應器，停留2分鐘，產率97%）；金剛烷叉金剛烷二氧雜環丁烷 6b（產率>99%）；系列烯丙基氫過氧化物 7d-g（產率>99%）。
理論與實踐結合： 結合實驗數據與計算機模擬，初步構建了能夠預測烯烴光氧化反應性的理論模型，對外部測試集預測準確率達85%。
這項工作不僅為合成重要化學發光探針和精細化工中間體提供了綠色、高效的新途徑，也為光化學反應的工程放大和基于計算機模擬的反應性預測奠定了基礎，有望加速新型功能分子的發現與開發。