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【新方法】微波-連續流反應器 - 合成烷基咪唑型離子液體

更新時間:2022-07-29      點擊次數:2001




背景介紹


微波輻照可將熱量快速傳(chuan) 遞給化學反應,是加速高溫化學合成反應的有力工具。但微波化學的發展一直受到缺乏專(zhuan) 用的標準化設備的阻礙。共振單模腔的出現為(wei) 微波化學的“黃金時代"奠定了基礎。這些設備現在是大多數學術和工業(ye) 實驗室的常規工具,但也存在一些挑戰。


挑戰


  • 法律允許的兆瓦頻段從(cong) 根本上限製了腔體(ti) 尺寸,阻礙可擴展性;

  • 隨著共振單模腔內(nei) 反應的進行,介電性能和共振頻率隨溫度和分子組成而變化。


解決(jue) 方案


對共振單模腔設備的兩(liang) 個(ge) 難點,可由連續流動化學結合可調諧固態微波振蕩器(SSOs)來解決(jue) 。


SSOs被稱為(wei) “阻抗匹配" 或 “自動頻率調諧" (AFT),用於(yu) 校正最佳微波頻率,確保吸收/反射微波功率的比率在微波反應過程中達到最大。作為(wei) 一種為(wei) 通信開發的技術,SSOs精確地將所有輸入功率分配到微波頻率的窄帶,具有高度的控製和可調性。


下麵小編將為(wei) 大家介紹相關(guan) 研究案例:烷基咪唑型離子液體(ti) 製備中的應用

案例介紹

離子液體(ti) 的用途非常廣泛,但作為(wei) 溶劑或電解質的離子液體(ti) 的使用受到價(jia) 格或漫長製備過程的限製。比如基於(yu) 咪唑的離子液體(ti) ,需要幾天的回流反應時間和更耗時的純化分離時長。


Westman首先觀察到烷基咪唑季銨化的微波加速反應,可以在幾分鍾內(nei) 完成反應,而不是常規加熱條件下的幾小時(或幾天)。


作者認為(wei) ,微波-連續流技術,特別是AFT-微波提供的控製和節能加熱的優(you) 勢,可以為(wei) 離子液體(ti) 的合成提供通用、可放大生產(chan) 的平台。並報告了使用商業(ye) AFT-微波流動反應器進行咪唑鹽的研究和放大合成,該方法適用於(yu) 多種前體(ti) ,產(chan) 品收率高達97%。


1. 工藝流程設計:

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圖1. 離子液體(ti) 的製備流程圖


2. 溫度對離子液體(ti) 收率的影響

針對上圖離子液體(ti) 的製備,作者首先研究了溫度控製模式,其中係統根據檢測到的出口溫度“在線"調整微波的功率。最小1.4 mL−1(RT=2.1分鍾),需要150°C才能達到*轉化率和97.5%的產(chan) 率(Entry1-4) 。就再現性而言,該過程具有高度魯棒性(Entry 4 vs 9)。

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圖2. 小試中溫度對離子液體(ti) 收率的影響


流速較慢,停留時間較長(Entry 5−8) 所得產(chan) 品顏色有所加深顯色。且在較高的反應溫度條件下,觀察到收率略有下降,這是由於(yu) 反應伴隨著副產(chan) 物NMI氫溴酸鹽的競爭(zheng) 形成,且過高的溫度促進了逆反應。


3. 底物拓展

作者繼而拓展了該微波流動反應器在該類反應上的應用底物範圍,可製備多種離子液體(ti) 產(chan) 物(如下圖)。

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表3. 不同底物的拓展研究


4. 放大研究

研究者使用更大體(ti) 積的螺旋管放大反應,用足夠高的流速來防止液滴下沉,並減少反應器管中央部分和出口傳(chuan) 感器之間的溫差和響應延遲。這使得溫度控製模式運行穩定,從(cong) 而大大簡化了條件優(you) 化。


在這裏,使用HPLC泵泵送純試劑,並使用第三個(ge) 泵泵送額外的乙腈流,以簡化設置(表7)。在150°C下連續運行可獲得600 g/h的生產(chan) 率。


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圖2. 工藝放大流程及運行結果


實驗總結

  1. 這種自動頻率調諧單模微波連續流反應器是合成烷基咪唑鹽作為(wei) 離子液體(ti) /離子液體(ti) 前體(ti) 的強大平台,其近定量產(chan) 率為(wei) 100−600克/小時;

  2. 通過頻率調製、微波功率操作模式和調節流型解決(jue) 了包括粘度變化、介電性能變化和反應過程中的相分離的難題;

  3. 在低流速和CSTR型條件下,在輸入功率小於(yu) 40 W的情況下,烷基咪唑鹽的產(chan) 率高達97%;

  4. 初級烷基溴化物、碘化物、磺酸鹽和活性氯化物都適合以高產(chan) 量和短停留時間(小於(yu) 3分鍾)交付產(chan) 品,但β-支鏈基團的引入可能會(hui) 降低產(chan) 量;

  5. 在高流速和塞流式條件下,自動溫度控製模式提供了良好的控製,並以高產(chan) 率獲得預取的產(chan) 品。


參考文獻:Org. Process Res.July 11, 2022


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