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【新案例】高活性有机物连续流合成方案

更新时间:2023-11-25      点击次数:982

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近年来,有机锂化合物在流动化学中得到了成功的应用,大多数研究涉及锂卤交换反应。然而到目前为止,在取代反应中还缺乏使用。微反应器的使用使高活性有机锂化合物参与的反应更加可控,创造了新的合成方法。

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得益于在Müller-Rochow反应中良好的应用性和对亲电试剂的高反应活性,氯硅烷是制备有机硅烷常用的原料。

但不可控的多取代物是一个比较头疼的问题,这对于高活性的亲核试剂如格氏试剂或烷基锂等来说尤其明显。

在反应活性较高的快反应中实现快速的混合是通过氯硅烷和有机锂化合物制备有机硅烷的一个重要前提,连续流微反应技术为解决这一类问题提供了非常好的方案。



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图1. 正丁基锂和三*苯基硅烷反应的多取代物


德国多特蒙德大学的Carsten Strohmann团队利用连续流微反应器代替间歇反应,在锂卤交换和其他类型的反应中显示出巨大的成功和优势,这篇文章向我们展示了使用正丁基锂选择性单取代三*苯基硅烷的最新结果。


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釜式条件下条件筛选


烧瓶反应需在-78°C的低温下进行(表1)。反应溶剂选择正戊烷还是四氢呋喃,对反应结果会有影响。在相同条件下,非极性溶剂如正戊烷对单取代产物2的选择性高得多(61%)。


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表1  三*苯基硅烷与正丁基锂在常规间歇体系(-78℃至室温,20h)中的反应产物分布


连续化工艺条件筛选

  • 接下来,作者研究了该反应在连续流中的工艺条件(图2)。

  •  物料1(三*苯基硅烷、四氢呋喃)和物料2(正丁基锂、正己烷)在T型接头混合后进入反应器;

  • 微反应器由一个内径0.5 mm的FEP管组成,该管绕在90°弯曲的支撑结构(螺旋流逆变器)周围,以缩小停留时间分布(RTD)并增强由于迪恩涡的出现而产生的径向混合;

  • FEP管长550 mm,总容积流量在9-50 mL/min范围内变化;

  • 在出口,用含有甲醇的小瓶收集样品,以停止反应,并通过GC/EI-MS和NMR进行简易分析。

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图2. 连续流装置示意图


1)不同流速下反应转化率及产物选择性


研究人员对反应流速进行了考察。可以看到在低流速下,氯硅烷的转化率略有降低,这是低流速下,反应停留时间变长,形成了更多的二取代产物,甚至三取代产物。

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图3. 不同流速下反应转化率及产物选择性(四氢呋喃,室温)


如图3所示。这表明一个合适的混合单元对于优化对单取代产物的选择性的重要性。由于反应速度快,微反应器的RTD对其影响较小,而传热、安全等其他方面的优势应优先考虑。

2) 不同反应摩尔比下反应转化率及产物选择性

在另一组实验中,作者通过改变反应物的摩尔比,优化了正丁基锂对单取代产物的选择性。

正丁基锂的浓度设为0.1 M(在正戊烷中溶解),氯硅烷的浓度设为0.1 M、0.2 M、0.4 M和0.6 M(在四氢呋喃中溶解)。总流速为18 mL/min,总停留时间为3.6 mins,氯硅烷的转化率和正丁基锂的选择性结果如图4所示。

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图4. 不同反应摩尔比下反应转化率及产物选择性(四氢呋喃,室温)

反应结果如上图所示:

  • 在等摩尔比下可获得63%的选择性。与传统间歇系统相比,在微反应器中进行替代可以获得类似的选择性;

  • 其主要优点是条件温和,室温下即可获得与烧瓶反应-78℃相同的产物选择性;

  • 此外,流动中溶剂的极性似乎对产物分布没有任何影响;

  • 提高氯硅烷与正丁基锂的摩尔比可使选择性提高到93%,但会降低氯硅烷的转化率,因为氯硅烷用量的增加明显有利于单取代产物的形成;

  •  选择合适的摩尔比,流动化学使反应更加节约资源,也更有利于过量的原料与产物的分离回收。

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  •  作者开发了在连续流设备中制备有机硅化合物的方法,反应时间3min;

  • 对于低温快反应,连续流工艺避免了苛刻-78°C的反应条件,室温下即可得到较为满意的结果;

  • 连续流工艺降低了氯硅烷的用量,仍然可以取得较好的产物选择性,降低了物料成本,利于产物的分离纯化。



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