MacMillan教你如何选择光催化反应器- 大数跨境

X-MOL资讯

2020-07-20

导读：工欲善其合成之大业，必先利其催化之密器

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还在为重复不出来文献报道的那些光催化反应而发愁吗？还在为光催化反应装置不标准、光源利用率低，导致你探索新反应一路受挫而苦恼吗？还在为光催化反应的可重现性和标准化担忧吗？现在默克（Merck）就带大家来看下光催化大牛MacMillan组设计的光催化反应器吧。

膜拜大神的第一台光催化反应器

在过去的10年里，光催化在有机合成中的应用得到了飞速的发展。然而，文献报道的光催化实验过程千差万别，很大程度上限制和阻碍了光催化作为通用型实验方法的推广。为了解决这个问题，在光催化研究领域的领军人物MacMillan课题组首先设计了一台光催化反应器，用于光催化反应中光能的捕获和催化剂的激发。

图一集成光催化反应器，来源 ACS. Cent. Sci.

我们知道，在可见光催化中光催化剂是一种能捕获光能的分子，并将可见光转化为化学能，利用这一技术促进了许多像光催化水的分解、CO₂还原以及太阳能收集等重要研究的发展。最近，将可见光催化应用于合成有机化学已经成为了一个非常重要的研究领域。尤其是在最近10年里，在有机化学领域报道了大量的光催化研究。在这些研究中，利用光催化剂可控的有选择性的产生开壳层有机化合物种来构建新化学键，已经成为一项非常重要的合成技术。将光催化与其他例如过渡金属催化有机小分子催化相结合，极大的促进了片段偶联（fragment-coupling）反应在药物化学和化工生产的发展。

可见光、长波紫外光（UVA）以及商品化的低成本高能LEDs光源的使用促进了光催化在学术研究和工业化生产的快速广泛的应用。对于光介导的反应，研究人员不仅想通过它来促进新反应模式的创新，同时非常希望发展标准化的实验操作流程来促进反应的可重现性。根据朗伯—比尔定律，我们知道在某一给定的介质中，光强度会随着光通过介质长度的增加呈指数级降低。因此，光催化的研究人员认为，对于某一给定的可见光催化反应，有理由假设只有反应介质靠近灯管壁在2 mm以内，才能被光充分照射到。许多光催化的研究采用的是定向灯和圆柱形的反应管或者圆形的反应瓶，这样导致大部分的光能由于折射而损失。同样，到现如今大多数有机光催化转化被认为是在“光照受限”体系下操作的，这是由于以下两个原因造成的：（i）光穿过有一定厚度的反应瓶壁强度有损失，（ii）由于接受光照的反应瓶是圆曲线表面，只有一部分能直接被光源照射到，所以瓶中的反应液捕获的光照不够充分。

图二标准的40 W Kessil 蓝色LEDs 灯和其剖面图，来源 ACS. Cent. Sci.

对于光照受限的体系也是很容易理解的，如果光照强度增加，反应液捕获的光能也将按比例增加，同时也就导致被光照激发的催化剂浓度增加。我们知道，高浓度活化的催化剂的形成通常会促进许多基元催化步骤反应速率和效率的提高，这一方案可以提高总体反应时间和反应效率。考虑到这一点，许多研究小组为了解决光穿透受限的问题，采取了相对较直接的方法，例如将反应管放置得离光源更近一些，或者通过增加光源的数量(组合使用多盏灯)来增加有效光照强度。不幸的是，采取这些方法往往会蓄积大量的热能而促发热反应通路，降低光照产生的光反应通路产物的收率。另外，在上述反应体系中加入冷却系统通常需要很繁琐的操作过程，并且往往不能改善结果。

十多年研究造就大神光催化反应器

在MacMillan课题组十多年的研究中发现，光源的选择、反应瓶的几何形状、离光源的距离会显著改变光催化反应的速度和效率，甚至是反应模式。包括MacMillan课题组在内的许多光催化研究课题组普遍认为，标准化的光催化反应装置会被广泛的采用，这样不仅为了提高反应的重现性，而且也为了探索和发现新反应。考虑到以上这些，我们注意到自动化连续流技术可以对光催化反应提供高级别的标准化，包括光传播距离、光的强度和几何形状，然而这个技术并没有在学术研究、制药、香料、农药或者材料实验室等领域广泛的实施和应用。

为了计算被传输到反应物的总的辐射能，研究者选择了一种简单的基于牛顿冷却定律数学模型的分析方法，通过使用量热计来采集测试期间产生的温度曲线。通过使用这个模型，他们构建并测试了相比常用的蓝色LED灯带能捕获更多光能的LED装置。在这个光能捕获筛选实验过程中，他们将反应瓶悬置在4个3.5见方450 nm 的XTE LEDs灯（Cree, Inc., Durham, NC）上方6 mm。选择的这些LEDs灯效率＞35%，输出功率＞1.1 W，不同包装大小可提供不同波长的选择。值得注意的是，虽然缩短LED灯组与反应瓶的距离可以加强光能的捕获，但是该系统存在冷却效率低和反应温度难以控制的问题。作为第二个关键的设计元素，是采用一个管状镜像外壳来确保表面反射的光能重新反射到反应瓶上。具体说，这个反射腔室保证了反应瓶表面能360°暴露于光照下（与只能180°的定向LED灯形成鲜明对比）。的确，量热计的测量结果显示，与标准的LED Lessil 灯带装置相比，XTE系统入射辐射功率增加了10倍。结合这些改进，他们采用3D打印技术，这套新设计的光传输装置被很快应用到光催化反应器的设计和制造中。

图三新设计的LED光催化反应器和剖面图，来源 ACS. Cent. Sci.

集成的标准化光催化反应器

紧接着，他们设计了一台集成的光反应器，这台光反应器可以同时提供冷却和搅拌功能，操作简便，数据稳定。为了解决冷却降温的问题，在LED灯组下方安装了一个轴式风扇，用于给反应瓶和LEDs灯散热。这种强制对流冷却方式简单高效，可以通过调节风扇的转速将反应温度控制在一定的范围内（25-60 ℃）。正如之前所述，LED灯组与反应瓶保持6 mm的间距可以确保最佳的光能捕获和最低的热能传导。为了集成搅拌这个功能，在LED灯组下面安装了带有稀土磁铁的无刷电机。为了方便操作，他们还设计了连有Raspberry Pi控制系统的触摸屏来调控搅拌的速率和风扇的转速，这同时也使反应时间的设定和LED灯的控制变得简单。值得注意的是，这种对LED灯源的调控能力为光催化反应的筛选提供了额外的反应参数设定，而对于这个参数，通常的光催化反应器是很难做到高精度控制的。这台光反应器还集成了一系列额外扩展的特性，比如，LED灯组是可插拔模式，允许使用者根据需求快速更换光源照射波长，来最大限度匹配光催化剂和光敏剂的最大吸收波长。仪器设计了一个可调节大小的反应瓶底座，可以适应不同大小的反应瓶，比如4、8、20、40 mL的反应瓶，保证反应规模可以从毫克放大到克级规模。同时这些底座确保了相同一致的受光位置，固定了反应瓶到LED灯组的最佳距离。最后，这台反应器还配备了一个灯罩，以确保操作的安全，避免使用者直接暴露在高能量的可见和长波紫外线照射下。

图四集成的光催化反应器和对应的可调节部件，来源 ACS. Cent. Sci.

MacMillan课题组使用集成的这台光催化反应器与传统的光催化反应器进行对比，比较了在药物合成中使用率非常高的8个反应，默克（Merck）带你一起一探究竟：

集成光催化反应器 vs. 蓝色LED灯

首先， Stephenson 组报道了关于光催化的三氟甲基化反应，将N-Boc保护的2-乙酰基吡咯作为模板底物，使用蓝色LED灯带，反应时间控制为60分钟，收率可以达到62%，研究人员按照上述方法使用LED灯带也重复出了反应。当作者使用集成的这台光催化反应器，重复这个反应时，能以仅仅3分钟的反应时间，64%的收率快速高效得到产物。

图五 Stephenson 三氟甲基化反应和反应时间研究曲线，来源 ACS. Cent. Sci.

集成光催化反应器 vs. 紧凑型荧光灯（CFL）

研究人员也考察了最近Li课题组报道的对芳香环三氟甲基化的反应，同样他们成功重复出了文献报道的反应，使用26 W的CFL灯装置，反应14小时后，以60%的收率合成了三氟甲基化的1,3,5-三甲氧基苯。使用集成的光催化反应系统，该反应的速率可以提高七倍，反应时间缩短至2小时，收率提高至70%。

图六 Li 三氟甲基化反应和反应时间研究曲线，来源 ACS. Cent. Sci.

集成光催化反应器 vs. 高能Kessil蓝色LEDs灯

使用40 W Kessil lamp 的蓝色LEDs光催化反应体系，环己基甲酸可以发生脱羧芳基化反应，反应时间为3小时，反应收率是58%。当这个反应在集成的光催化反应器中进行时，反应时间可以缩短至20分钟，收率也提高到了64%，大大提高了反应效率。

图七脱羧芳基化反应和反应时间研究曲线，来源 ACS. Cent. Sci.

MacMillan课题组还比较了其他五个药物合成中常用的光催化反应，您可以在文末的直播预告中关注相关内容，或者扫码进群参加默克光催化讨论并获取相关学习资料。

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总结一下，MacMillan课题组设计了一台集成的光催化反应器，用来拓展可见光催化领域的应用。这台集成的光催化反应器用来提高反应体系的曝光量，有效激发体系中的光催化剂，这样就可以大大提高各个反应的反应速率。确实，当使用药物合成中经常使用的8个光催化反应来评估这台仪器，也确证了这台集成光催化反应器可以大大提高反应效率、操作简单、重现性好。

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