规模化连续流光化学的开发和实施

一、背景介绍

LED光源的持续发展，促进了光化学在有机合成中的应用，但想实现＞100 kg规模的光化学合成仍然存在一定困难，主要是因为传统釜内光的穿透性较差。连续流能够通过平推流或连续搅拌使得反应液能够更加接近高强度的光源，有效克服了传统反应釜的缺陷。

图1. [2 + 2]光化学环加成制备化合物2

近期，凯莱英的研究人员使用顺丁烯二酸酐（1）和乙烯进行[2 + 2]光化学环加成反应（图1），并对该工艺进行了优化放大，获得了很好的量产化结果。

二、 实验部分

首先研究人员对反应条件进行了优化，使用365 nm波长LED灯作为光源使用苯甲酮作为光敏剂，对反应溶剂进行了筛选（图2），由图中可以看出，结合转化率和选择性，丙酮是该反应的ZY溶剂。

图2. 不同溶剂对反应转化率和纯度的影响

然后对光敏剂用量进行了筛选（表1），为了平衡反应转化率和后处理重结晶效率，ZZ选择10 %摩尔当量的光敏剂用量。

表1.光敏剂用量对反应产能的影响

接着，研究人员对反应所用的管线内径、混合方式、LED光源功率等设备参数进行了研究（表2）.

表2.装置设计对反应产能的影响

ZH为了达到500 g/天产能的要求，研究人员自主搭建了一套光化学反应装置（图3）。结合之前的实验数据设定了验证性运行的具体实验条件（表3）。该系统连续运行了51 h，间隔4 h取样进行转化率和收率的检测以验证工艺的稳定性，分离收率达到91 %，产能达到646 g/天（图4）。

图3. 500克/天产能工艺试运行的流程图

表3.验证性运行的实验条件

图4. 51小时验证性运行的取样结果

三、扩展实验    

为了达到5 kg/天的目标产能，研究人员对现有装置进行了改造，并在设计过程中进行过程安全分析的考虑，通过引入PLC系统、加装气体报警传感器、加入压力传感器等措施对反应装置进行改进，以确保生产过程中的安全措施（图5）。

1. 生产装置由三个独立模块组成 （20.76 L持液体积，10 mm外径)，光源由6个3 kw 的365 nm 波长LED面板组成（图6）。

图5. 生产装置改进流程图

图6.生产规模的光化学装置实物图

2. 研究人员使用上述装置进行工程运行以验证工艺，并对反应停留时间的边界条件进行了探索（图7），由图中可以看出，当反应停留时间小于2h时，原料剩余会大于5%，因此反应停留时间需控制在2h以上。

图7.工程运行的总结

表4. 示范运行的实验条件

随后研究人员又使用该装置进行了45 h的不间断的示范性运行（表4）。ZH，研究人员使用该装置连续不间断运行了1周，经过优化，反应停留时间由原来的2 h降低至1.9 h（图8），间隔6 h取样，确保原料剩余小于5 %，经过1周的稳定运行，获得了51.8 kg的化合物2，超过了5 kg/天的生产目标，经过多批次生产共获得大于250 kg的化合物2。

图8. 批量生产化合物2的结果

四、实验总结

● 作者通过对反应条件的筛选、实验参数调整及生产前详尽的过程安全评估，完成了顺丁烯二酸酐和乙烯的[2 + 2]光化学连续流环加成反应的放大生产，并实现了大于5 kg/天的生产目标。为后继开发者提供了思路和参考

● 连续流动化学为大家拓宽了光化学合成反应的领域，帮助大家跳出釜式反应的限制。光化学反应的工业化，进步空间还很大，相信更多的研究案例会出来。

**此外：

● 从文中可以看出，小试和放大的工艺条件并不相同，也就意味着使用自制的反应器可能存在着放大效应；

● 光化学反应液浓度较稀，自制反应器会受到产能的限制；

● 康宁反应器无放大效应，从实验室小试到工业化生产可以省去中间参数重新优化以及设备更改的时间和工作量，大大提GX率和质量。

● 康宁G3光化学反应器年通量可达1000吨，满足客户不同级别的产能需求。

光化学反应仪应用领域：

聚同电子的氙灯光源广泛应用于光解水制氢、光降解污染物、各类模拟日光可见光加速实验、各类模拟日光紫外波段加速实验等研究领域。氙灯光源可实现高能量密度、长时间连续照射。结合各种滤光片可实现多种的组合手段，实现窄波段的催化剂改进效果评价及宽带通总体催化效果评价。聚同氙灯光源产品可配合多种反应器（系统）可完成固、液、气相的在线及离线分析实验。

光化学反应仪氙灯的选购要点：

1、氙灯光源平行光源一般是灯泡通过光学器件处理，而在需要高能量的场合则采用椭球反映射镜。
2、氙灯光源在光化学中，可由平行光源与反映样品部分构成外照式辐照系（光以平行光束形式从反映系统由外而内的进行辐照）。
3、氙灯光源至于那些灯源可构成汇聚点光源，发散光源及平行光源则需具体情况具体讨论。
4、氙灯光源汇聚点光源通常用于单色仪分光，光纤导入或使用聚焦点的能量集中效应（如热效应）。
5、氙灯光源散光源通常是对灯源未做任何处理（光以球面波形式向整个空间发散），在光化学中，通常冷阱、反应器配合，光均匀的向反映物质辐射，构成所谓的内照式辐照系（整个体系中，光由内而外辐照）。
杭州聚同电子光化学反应仪操作说明
一、操作说明：
1、准备工作：连接电源。使用该仪器前先把八位反应器（或磁力搅拌器）放入主机箱内，石英反应管（或反应容器）内放入磁子。之后检查所需要使用的汞灯（氙灯）、反应器以及冷却水循环装置是否连接好。（如下图连接）
2、反应暗箱内设有八位反应器（或磁力搅拌器）和灯的电源接口，请按指示连接。

3、配备进口高压泵：配管尺寸较长，可平稳的进行长距离循环、冷却或恒温机外实验容器或建立第二恒温场。
4、高密度耐腐蚀材料：可循环纯水的循环泵、冷却盘管、吐出口、回流口的关键接口都采用不锈钢（SUS304）制造。
5、循环介质类型：硅油、水、盐水、纯酒精等实验室常用循环介质。

微流体自动化顺序注入解决方案可解决至少4种以上不同的液体介质向微流控芯片通道内注入。针对每一种液体介质，可以实现定量的体积注入，然后通过设置和保存参数，可以在智能界面软件上实现自动化的液体注入。微流体自动化注入使用微流体分配阀MUX Distribution12，通过OB1 MK3+压力真空控制器和流量传感器，可以实现不同的液体注入方案如液体的不同体积注入、生物试剂或化学样品的清洗、多样品收集、多个微流控芯片同时工作、多个微流体分配阀同时工作（并行工作，增大量产或提GX率）。通过SDK开发包（LabVIEW、C++、MATLAB和Python）可将这些不同的方案集成到您的实验系统中。

CEL-LAB200E7平行光化学反应仪，是一款真正意义上的平行反应仪，是将LED光源置于10位反应器中心，LED光源旋转，实现对任一反应器同等光功率密度下的照射。反应器具备控温、进气、出气、实时取样、磁力搅拌等功能，可以同时10个样品平行实验。 

平行光化学反应仪可应用到光催化剂的筛选，提高光催化的效率，实现了平行样品的分析。主要用于研究气相或液相介质，固定或流动体系，紫外光、单色光、可见光或模拟太阳光光照，恒温，同一光强等条件下的光化学反应。具有提供分析反应产物，测定反应动力学，测定量子产率等功能，广泛应用光化学催化、化学合成、环境保护以及生命科学等研究领域。

CEL-LAB200E7 平行光化学反应仪优势特点

• 反应器标配石英反应管具备控温、进气、出气、实时取样、磁力搅拌等功能；

• LED光源可以围绕轴心自旋转，实现均匀平行照射；

• LED光源可以在线热插拔更换不同波长的光源；

• 实现了从365nm-940nm可选的14个单色波长和可见光白光；

• LED光源功率30W—200W连续可调，实现宽范围功率变化；

• LED光源系统光功率、旋转、磁力搅拌分别独立控制。

   技术参数：

CEL-CLED200R旋转LED灯总成

365nm，395nm，405nm，420nm，455nm，470nm，500nm，520nm，590nm，620nm，660nm，850nm，940nm，白光，模拟日光

HX105恒温循环水机（0-95℃，可调）