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康宁AFR实现SBF的连续绿色生产——黄维院士团队解令海教授课题组的产业化研究进展

更新时间:2024-03-13      点击次数:254

南京邮电大学黄维院士、解令海教授团队早在2017年就已引入了康宁连续流微通道研发平台,并在此平台上做了大量科研探索。2021年,在南昌大学举行的第七届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛总决赛上,南京邮电大学“视界中国——打造国产一流柔性显示材料”项目从228万个项目中脱颖而出,以小组第1名的优异成绩获得金奖

该项目采用康宁微通道反应器实现了有机蓝光的中间体材料和终端材料的公斤级量产,成功将72h、180℃的间歇生产改进为反应时间2min、100℃的连续流生产,产能10吨/年,生产成本降低了45%。

互联网+,南邮大获金奖,这个项目出圈了!

下面让我们一起看看黄维院士、解令海教授团队如何利用康宁微通道反应器开展格式反应研究吧。

研究背景


二芳基芴衍生物已在光电子领域得到广泛应用,包括有机发光二极管(OLED)、钙钛矿太阳能电池、有机激光器、有机场效应晶体管(OFET)和电存储。

其中,SBF衍生物(图1)具有独特的对称拓扑结构,表现出优越的传输性能,适合商业应用。

然而,因为难以在千克规模上合成中间体化合物9-芳基-芴-9-醇,SBF衍生物的实际应用受到限制。

 

 

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图1. 常见高性能SBF衍生物的结构

 

9-芳基-芴-9-醇的合成通过格氏反应实现。然而,格氏反应系统中溶剂、水分、温度和其他因素的存在增加了由于控制不当而发生生产安全事件的可能性。

 

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图2. 9-芳基芴-9-醇的间歇合成与连续流合成的比较

 

此外,用于合成9-芳基-芴-9-醇的分批反应(图 2a)具有放大效应和较长的反应时间,导致安全系数低、工作量大和生产效率低。

黄维院士、解令海教授团队开发了一种高效、安全和环境可持续的连续流工艺,在环境友好的条件下大规模生产9-芳基芴-9-醇 (图 2b),该成果发表在2023年10月英国皇家化学学会2023绿色化学杂志上 。

 

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作者使用2-溴芴酮1a和苯基溴化镁2a作为模型化合物来评估各种反应参数,如温度、浓度和停留时间(图 3a)。

 

 

 

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图3.  9-芳基芴-9-醇的连续流格氏反应

 

研究表明:

温度效应:连续流工艺在30~70°C下都提供了>99%的3a产率(图 3b);

浓度效应:浓度从0.25M增加到0.4M,产率保持在>99%(图 3c),最大限度地提高了溶剂的利用率,减少了 “三废” 的排放。这归因于康宁AFR(G1)的强大传热效应,使放热反应能够在更高的浓度下进行;

停留时间:当停留时间从48秒缩短到36秒时,产率仍可达到>99%,但24秒的产率仅为90%(图 3d);

从工业角度来看,9-芳基芴-9-醇的连续流合成方法大大降低了原料成本(35%)、固体废物排放量(64%)和生产周期(86%),提高了生产效率,实现了绿色生产(图3e)。

 

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随后,作者在相同的温度条件下进行间歇对照实验。结果显示,在15小时反应时间后SI3(a)的产率仅为45%,延长反应时间后也没有改善。与之形成鲜明对比的是,在室温下使用连续流反应器仅36秒,就获得了>99%的3a产率。

 

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图4.(a)格氏反应的一个合理机制,(b)釜式和康宁AFR液相色谱(CPLC)产率图(c)釜式和康宁AFR之间的总体积传热系数的比较

 

  1. 平推流无返混:格氏试剂本身的固有偶联反应是降低反应产率的一个突出因素。与连续流条件相比,传统间歇系统中返混合的存在增加了芳基格氏试剂的自偶联。在反应瓶中,1.2当量格氏试剂的一部分与原料反应,产生45%的产物4a,而剩余的55%发生了自偶联反应(图4 a)。

  2. 高效传质:连续流的高传质特性有助于瞬时加入的格氏试剂与酮的快速有效混合,从而降低自耦趋势。格氏反应通常在几秒钟或几毫秒内发生,不充分的混合可能导致不期望的偶联。有效混合和热传递的结合进一步促进了更清洁的反应,这从反应混合物中的视觉对比中可以明显看出(图4b)。

  3. 高效换热:连续流微通道反应器表现出优越的传热效果,反应的放热性质允许在连续流动系统中进行室温反应。相比之下,间歇式反应器中较差的传热效率需要提高温度(60–70°C)才能将反应产率提高到65%。

  4. 康宁反应器优势:AFR-G1反应器的传热效率超过250 mL圆底烧瓶的传热效率100多倍,超过1000 L传统反应釜的传热效率1700多倍(图4c)。在连续流反应器中使用微通道增加了反应的比表面积,促进了有效的分子接触,最大限度地减少了返混,并最大限度地利用了格氏反应释放的热量。

 

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为了突出所开发的连续流生产工艺在绿色化学领域的进步,作者使用3a作为模型化合物,计算并比较了在同等反应条件下使用连续流和分批方法生产1公斤3a的各种绿色指标(表 1)。

 

表1. 连续流和分批方法生产1公斤3a的各种绿色指标

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由于反应方程保持不变,两种方法的原子经济性均为76.57%

  • 作者开发的连续流生产工艺表现出显著的原子效率、反应质量效率、碳效率、化学产率和质量生产率分别比间歇法提高119.97%、122.21%、122.26%、122.19%和122.23%。

  • 此外,连续流工艺还具有较低的环境影响因子、工艺质量强度和废水强度,这些指标分别降低了92.57%、89.22%和97.48%。

  • 这些结果明确地表明,9-芳基-芴-9-醇的连续流生产工艺不仅更环保,而且更具成本效益,使其非常适合工业应用。

 

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为了验证该工艺的稳健性和通用性,作者在各种底物上进行了测试(图5)。

 

 

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图5. 底物拓展

 

  • 芴酮和2,7-二溴芴酮与苯基溴化镁反应,分别生成产物3b(>99%)和3c(>99%)。

  •  为了进一步证明该过程的普遍性,研究者用二苯甲酮取代了芴酮衍生物,这是一种反应性较低、空间位阻较大的非共轭体系。当停留时间延长到3分钟时,3d的产率达到90%。

  • 此外,作者还测试了不同基团(甲基、乙基、甲氧基和辛基氧基)的格氏试剂与2a的反应,形成3e(>99%)、3f(>99%)、3g(>99%)和3h(84%)。

这些结果表明,各种底物和具有不同电子结构和空间位阻的格氏试剂在格氏反应中获得了较高的产率。因此,与间歇反应器相比,连续流合成的应用成功地提高了工艺的稳健性和通用性。

 

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9-([1, 1′-联苯]-2-基)-9H-芴-9-醇是有机半导体星形构建单元SBF的重要中间体。然而,在反应釜中大规模生产SBF有反应时间长、反应温度高和放大效应等问题。

 

 


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图6. SBF在连续流中的端到端合成路线

 

研究者通过连续流动技术将格氏反应和付克反应串联起来,成功实现了SBF的端到端合成。

值得一提的是,当格氏试剂2i的浓度为0.15M时,溶液全部溶解,产物3i以细颗粒(<200um)的形式直接沉淀在微通道中,并流入收集瓶,产率为92%。然后,将3i与乙酸和盐酸在0.1M溶液中混合,并在室温下以60mL min−1的流速泵入微通道,停留时间48s,使SBF的产率提高到>99%。使用连续流动系统估算目标产品SBF的生产率,并确定理论生产率为123 g· h−1

 

在康宁反应器上将格氏反应和付克反应串联起来,实现了SBF的端到端合成,反应器中流出的反应液直接旋蒸后即可得到粗产物,四氢呋喃的回收率达到了90%。此外后处理采用工业上常用的打浆技术,加入水打浆除去无机盐,过滤即可得到最终产物,不仅操作简单,而且整个过程绿色高效。

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  • 本研究报道了在室温下使用微通道连续流工艺强化方法成功制备公斤级9-芳基-芴-9-醇,产率>99%

  • 连续流动工艺不仅在室温下将9-芳基芴-9-醇的产率从45%提高到>99%,而且还将停留时间从15小时显著缩短到36秒,同时实现了9-芳基-芴-9醇357 g·h−1的高产率。

  • 开发的连续流工艺实现了1.9747 kg·kg−1的环境影响因子(E因子),在绿色、环保和成本效益高的条件下表现出强大的稳健性和无放大效应

  • 通过使用串联格氏反应和付克反应在室温下连续合成SBF,在连续流动中实现了123 g·h−1的产率

  • 这一创新为SBF衍生物提供了一条高效的绿色连续工业化生产路线,对二芳基芴衍生物的商业应用具有重要意义。

 

 

致谢:

该研究工作得到了国家自然科学基金项目 (22071112, 22275098 and 62288102)、南京邮电大学有机电子与信息显示国家重点实验室项目(GDX2022010005和GZR2022010011)资助,以及康宁反应器技术中心(中国)伍辛军博士、苗兴亮工程师等人的售后支持。

 

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