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【五环之歌】化合物中那些神秘的环(一)
发布:康宁反应器技术有限公司浏览次数:54摘 要
连续流合成是快速发展的一门技术。它不仅改变了化学的合成方式,也改变了化学工业生产的方法。
西班牙马德里圣巴勃罗-CEU大学的药学院化学与生物化学系Gema Domínguez教授团队,凭着多年连续流化学的经验,汇总了从三元环到六元环,环加成反应在连续流技术体系下的最新研究进展。
最新研究案例分享
三元环:[2+1]环加成反应
1.1
环丙烷的合成
[2+1]环加成反应的传统合成方法通过形成卡宾或者叶立德,与烯烃[2+1]环加成获得。使用连续流技术,可以更安全的生成卡宾,并且生成的卡宾可以快速的和烯烃反应。
安全高效放大:Kappe团队创新连续流工艺,于管中管反应器内高效生成重氮甲烷,随即与外管烯烃催化剂溶液反应,直接制得环丙烷衍生物(59%收率)。
图1:用于无水重氮甲烷合成的管式反应器
此技术不仅提升安全性,还实现了干燥重氮甲烷在实验室的安全放大应用,凸显连续流技术的高效与安全优势。
反应停留时间短,绿色环保,易于放大:Charrete团队利用连续流技术,从TMSCF3和NaI快速生成二氟卡宾,与烯烃/炔烃反应生成三元环。反应仅需10分钟,产率高达1 mmol/min。
图2:二氟环丙烷和二氟环丙烯的合成
相比釜式工艺,连续流显著缩短反应时间,减少试剂用量,更易于放大反应规模。
1.2
环氧化合物
环氧乙烷通常使用氧化物氧化烯烃获得,如使用有机过氧酸、空气氧化、次氯酸盐、二恶烷或者过氧化氢。
高选择性:Mukaiyama环氧化是一个非常温和和的选择性过程,它使用分子氧作为氧化剂,可以在有或没有过渡金属的情况下进行。
图3. Mukaiyama环氧化
实验案例使用分段流反应器评估不同的金属催化剂和催化剂负载量。使用2-乙基己醛作为共还原剂,100ppm Mn(II)作为催化剂和5bar的氧气,在5min内获得了高选择性(>99%)的将顺式环辛烯完全转化为环辛烯环氧化物。
四元环 [2+2]环加成
2.1
光化学[2+2]环加成
[2+2]光催化环加成是获得碳环产物最常用的环加成反应之一,也是最常用的光化学反应。它涉及两个烯烃,其中一种需要被紫外线(UV)或可见光激发。在过去的十年中,由于流动光化学的发展,它取得了非常大的突破。
图4. 在玻璃微通道反应器中进行[2+2]环加成产物
釜式8%收率:最早的例子之一是由Ryu的团队报道的。环己烯酮与乙酸乙烯酯在光照下反应以88%的高收率获得了[2+2]环加成产物,而在釜式条件下只能获得8%的收率。
连续流光化学快速筛选:乙烯气体是制备简单环丁烷的常见底物,连续流技术在处理气液反应有独特的优势。
图5. 乙烯与柠檬酸酐的[2+2]光环加成反应
Kappe课题组使用康宁光化学微通道反应器,进行乙烯与柠檬酸酐在不同的光敏剂下反应,康宁光化学反应器具备多种波长以及功率的选择,可以对不同的反应条件进行快速筛选,最终在10小时内以96%的收率获得了101.3g的环丁烷。
2.2
非光催化[2+2]环加成反应
[2+2]环加成反应不常见的是烯酮和烯烃之间的热促反应,或者由强酸催化的甲硅烯醇醚与烯烃的[2+2]环加成反应。
适用于不稳定体系:使用连续流技术在室温下由超强酸三氟甲酰亚胺(Tf2NH)催化的[2+2]环加成反应的例子。
图6. 酸催化的环加成
微反应器由于其独特的性能优势可以允许不稳定的加硅烯醇醚和丙烯酸酯反应,由于起始物料和产物在强酸条件下不稳定,所以在釜式条件下很难成功。釜式条件下需要在-78℃下实现而微通道可以在室温下成功获得。
2.3
β-内酰胺:Staudinger合成
合成β-内酰胺环最常用的方法是Staudinger合成,它是由亚胺和烯酮之间[2+2]环加成反应生成。
安全易扩展:通过将α-溴代酰卤通过活性锌粉和玻璃珠填充的填充床反应器,连续生产烯酮,烯酮形成后,使用在线红外光谱仪进行分析。
图6. Staudinger合成法在锌填充床反应器中生成烯酮
使用另一个泵加入亚胺,连续生产β-内酰胺,使用该连续生产方式可以以97%的收率制备烯酮。由于烯酮具有高反应活性和毒性,使用连续流技术可以更安全以及更容易的扩大生产规模。
2.4
Paternó-Büchi反应
aternó-Büchi反应是电子激发的羰基化合物和烯烃之间的[2+2]光催化环加成反应生成氧杂环丁烷。
高收率:Booker-Milburn团队报告了一种使用化催化环加成方法制备细胞毒性的内酯(+)-呋喃妥酮。
图7. Paternó-Büchi反应合成(+)-呋喃妥酮组合图示
使用三层FEP连续流反应器和400W中压灯,运行83小时中以97%的分离收率形成超过40g的异构体混合物,而使用釜式生产需要高度稀释的情况下才能获得93%的收率。
Gema Domínguez教授团队汇总了连续流反应器技术研究领域的最新进展,特别是在三元环到四元环环加成反应中的应用:
环加成挑战:
环加成是一种构建碳环和杂环的最常用方法,但是由于使用了危险的试剂以及气体参与或产生,使得该反应往往收率较低难以放大。
连续流技术优势:
在连续流技术的优势助力下环加成反应的性能得到了显著提升:
参考文献:
ChemSusChem, 2020,13(19):51385163.DOI:10.1002/cssc.202001372.
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2024-08-14 -
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