连续流微反应器的构建及其在多相有机合成中的研究和应用

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近年来,以微反应器为核心单元的连续流动化学技术在有机合成领域中备受关注。微反应器是由尺寸在微米到毫米范围的微通道组成的小型反应系统,与传统反应相比,由于微反应器通道微小、比表面积较大,连续流动化学具有高效的传质传热,几乎无放大效应,安全可控,绿色化且易于集成实现自动化控制等优势。虽然微反应器在有机合成中应用广泛,但目前大多数连续流动化学反应装置通用性较差,定制设备价格昂贵,制造周期较长,阻碍了连续流动化学技术的进一步发展,为此本文将从液-液两相、固-液两相及气-液两相三种常见的多相反应着手,旨在设计及构建适合于不同多相反应的高效、安全、绿色的连续流动化学反应装置,并利用其独特优势实现液-液两相、固-液两相及气-液两相的高效反应。第一章绪论本章首先介绍了微反应器在有机合成中的诸多优势;其次,根据微反应器的功能和应用对其进行分类并总结在有机合成中具有重要作用的微反应器类型;之后介绍基于“超限制造”技术的三维芯片微反应器的结构及优势;另外,我们还总结了微反应器在多相反应中的研究进展;最后阐明了本文的研究意义及研究内容。第二章基于微反应器流动化学研究及其在液-液两相催化氧化反应制备苯甲醛中的应用在本章工作中,我们以三维芯片微反应器为核心构建了高效的液-液两相连续流动化学反应装置。在该装置中,以四丁基溴化铵(TBAB)为催化剂,次氯酸钠为氧化剂,研究了苯甲醇转化为苯甲醛的相转移催化氧化反应,并对次氯酸钠溶液的浓度及p H值、流速比及相转移催化剂当量等重要参数进行优化研究。实验结果表明在温度为20℃,次氯酸钠浓度为14.6%,p H为9.5,TBAB浓度为7.5%,QA/QO=2.5,停留时间3min的最优化条件下,苯甲醛的产率为97.50%,与普通微反应器相比反应效率显著提高,证明该装置能有效增加液-液两相的相界面积,提高传质速率,在液-液两相反应中具有明显优势和潜在的广阔应用前景。第三章基于微反应器流动化学研究及其在固-液两相金属插入反应制备有机锌试剂及α-氰基羰基化合物中的应用在液-液两相连续流动化学反应装置中集成填料床反应器,在填料床反应器中填充金属锌颗粒,2-溴-2-甲基苯丙酮经填料床反应器原位生成有机锌试剂,然后与亲电氰化试剂N-氰基-N-苯基-对甲苯磺酰胺(NCTs)在三维微芯片反应器中生成具有全碳季碳中心的α-氰基羰基化合物α,α-二甲基-β-氧代-苯丙腈。同时考察了温度和停留时间对反应的影响,探究微反应装置中合成α-氰基羰基化合物的最佳工艺条件,较优反应参数组合为:反应温度60℃,停留时间7.14 min,体积流速比2:1,产率为100%。固相试剂的引入大大拓展了微反应器在复杂有机化合物合成中的应用,同时对于涉及多步合成的反应,该装置易于改装,能够灵活安排及按需进行积木式的合成。与传统合成方法相比,该两步法突显出产率高、效率高、绿色安全等优势。第四章基于微反应器流动化学研究及其在气-液两相羧化反应制备苯甲酸中的应用在固-液两相连续流动化学反应装置中通过简单地更换金属填料种类制备格氏试剂,研究了苄基氯代物与金属镁的反应过程,最终以比相应的溴化物或碘化物活性更低的苄基氯代物为底物成功制备了格氏试剂,有效扩大了底物范围,同时提高产物的选择性;在第一步固-液两相反应的基础上,构建气-液连续流动化学反应平台,第一步原位生成的苯基溴化镁格氏试剂与二氧化碳气体在三维芯片微反应器中反应,并对反应条件进行优化,最终在温度25℃,停留时间2.82 s时,以较高的产率(96%)成功制备羧酸类化合物,证明该装置能有效地将二氧化碳气体与底物溶液进行充分混合,提高反应的选择性及产率,显示出进行气液反应的巨大潜力。
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