【康寧AQL案例】模擬計算和實驗驗證 – 臭氧發生器新應用

圖1. HD低毒處理的幾種方法

圖1中介紹了幾種HD低毒處理的方法。其中選擇性硫氧化（圖1,b,method 3）是迄今為(wei) 止報道最多的方案。此氧化的選擇性是該氧化中和的最關(guan) 鍵的指標，必須嚴(yan) 格防止過度氧化為(wei) 毒性更高的過氧化碸HDO₂。

康寧歐洲認證實驗室（AQL）、列日大學綜合技術與(yu) 有機合成中心（CiTOS）Jean-Christophe Monbaliu教授及其團隊，融合了連續流反應器和化學技術模擬研究，開發了一個(ge) 創新工藝。

該工藝在康寧低流量反應器和康寧臭氧發生器設備上得到驗證，得到了處理HD的高效解決(jue) 方案。

在之前的一係列文章中（圖2,c），作者已經發表了係列為(wei) 開發專(zhuan) 門針對HD模擬物（如CEES或CEPS）的高效氧化中和的文章。作者認為(wei) 這些方案必須：

• 依賴於(yu) 簡單、廣泛可用的化學品，以便於(yu) 在緊急情況下廣泛采用；

• 實現低毒性和安全的工藝條件；

• 通過使用先進的計算方法引入了創新，以指導和進一步驗證實際硫基化學試劑的中和過程。

本文的工作正是通過使用先進的計算方法引入了創新。提出了一種高效和可持續的方案，用於(yu) 在連續流動條件下利用臭氧對HD模擬物進行氧化中和。

• 直接從(cong) 壓縮氧氣中產(chan) 生臭氧消除了對補充添加劑或催化劑的需要，探索了使用DFT進行計算機分析，以闡明其機製、選擇性和內(nei) 在特征；

• 說明了HD低毒模擬物的合理選擇過程，使用概念DFT來識別具有類似化學行為(wei) 的硫醚，同時減輕與(yu) HD相關(guan) 的法律和毒性問題；

• 作者計算了硫中反應的計算曲線和動力學，以強調驅動選擇性和防止有毒過氧化副產(chan) 物（碸衍生物）形成的具影響力的參數；

• 計算工作被轉化為(wei) 在流動條件下進行的實際中和實驗，產(chan) 生了快速中和率（僅(jin) 一秒鍾內(nei) 中和）

作者相信，這種多學科的方法超越了依賴實驗數據的傳(chuan) 統方案，具有創新性。

鑒於(yu) HD的安全問題，常規都是使用 CEPS和CEES作為(wei) HD的模擬物。然而，這兩(liang) 種模擬物也是有毒和嚴(yan) 重的發泡劑，作者考慮到可能存在其他合適的市售硫醚來作為(wei) HD的模擬物，但需要足夠的信息來支持其作為(wei) 潛在模擬物的用途。

作者提出可以通過立體(ti) 電子相互作用獲得非鍵NS軌道是對潛在候選模擬物進行排名來定義(yi) 這種硫醚和HD之間的化學相似性，使用計算機模擬的方法來預測化合物的化學行為(wei) ，有助於(yu) 減少特別是當涉及有毒化合物時的實驗試錯和優(you) 化階段產(chan) 生的廢物量。

在臭氧存在的情況下，HD的硫原子表現為(wei) 親(qin) 核試劑。因此，使用CDFT中的經典方法以乙醇作為(wei) 溶劑，在B3LYP-D3BJ/6-31+G*水平下，計算HD和六種潛在模擬物的硫原子上的局部親(qin) 核性（NS）（圖3a），計算發現：

• 1b（NS＝2.1）上的局部親(qin) 核性比其他計算的硫醚更強的親(qin) 核行為(wei) ；

• 而1c（NS=1.0）和1d（NS=0.8）與(yu) 1b相反，它們(men) 的親(qin) 核性通過離域而降低；

• CEES（NS＝1.9）、1a（NS＝1.8）和CEPS（NS＝1.6）表現出類似於(yu) HD的局部親(qin) 核性（NS＝1.8）；

• 該初步分析表明1a和CEES在局部親(qin) 核性方麵是接近的HD模擬物。

很明顯，1a是一種很有潛力的HD模擬劑，因為(wei) 與(yu) CEES相比，它的毒性很低。

並且作者還計算了與(yu) 硫醚1a–d、CEPS、CEES和HD的氧化相關(guan) 的過渡態計算相應的亞(ya) 碸2a–d、CEPSO、CEESO和HDO，以及不希望的過氧化為(wei) 碸3a–d、CEESO₂、CEESO₂和HDO₂（圖2a、b）相應的活化勢壘（ΔG‡）。

• 對於(yu) 硫氧化，所有硫醚底物的氧化都以低活化能壘（ΔG‡<8 kcal/mol）為(wei) 特征，這意味著反應完成時間低於(yu) 1s(at 10 °C and 0.1 M)；

1. 對於(yu) 底物1a、b、CEPS、CEES和HD（3.1<ΔΔG‡<6 kcal/ mol）來講，其過氧化碸具有更高的活化勢壘；

• 對於(yu) 化合物1c、d，過氧化似乎比 氧化更有利（ΔΔG‡=0.5–0.8 kcal/mol）。因此，在相同條件下，過氧化99%的轉化率預計也低於(yu) 1秒。

因此，這些反應明顯受到擴散（D_a>1）的限製，這就需要高的混合效率以避免產(chan) 生濃度梯度。因此，選擇一種高效混合效率以及短時間反應的反應器是該方案的優(you) 解。

傳(chuan) 統的間歇式方案在這方麵有很大的挑戰。此外，間歇式臭氧參與(yu) 的反應通常需要低於(yu) 零度的溫度來降低反應爆炸的可能性。

康寧微通道反應器具有高效的傳(chuan) 質效率、精準的停留時間控製，較大的比表麵積在該方案中具有很高的優(you) 勢。

作者使用Corning®Advanced flow™反應器（AFR）進行實驗。通過康寧的臭氧發生器將壓縮臭氧（10bar）和硫醚的乙醇溶液進入反應器中，在第一個(ge) FM中用於(yu) 用臭氧氧化各種HD硫醚模擬物，在第二個(ge) FM用於(yu) 淬滅反應反應液中未反應的臭氧。通過HPLC或GC-FID分析反應器流出物。

臭氧氧化平台的簡化流程圖如圖4所示。

 圖4.  臭氧氧化平台的簡化流程圖以及HD模擬物氧化產(chan) 物

在潛在HD模擬物庫中，作者選擇了3種硫醚：

1. 1a（NS 1.8）作為(wei) 與(yu) CEES（NS 1.9）最相似的類似物；

2. 1b（NS 2.1）作為(wei) 具有比CEES更高親(qin) 核性的硫化物；

3. CEPS（NS 1.6）作為(wei) 具有較小反應性的類似物。

為(wei) 計算動力學，研究選擇的條件是通過實驗實現的。在這些條件下，與(yu) 1a的反應導致轉化為(wei) 其相應的亞(ya) 碸2a，而沒有過度氧化為(wei) 碸3a（Table 1，Entry2）。另外，硫化物1b被轉化為(wei) 亞(ya) 碸2b（96%）和碸3b（4%）的混合物（Table 1，Entry3）。考慮到初步的計算研究，過度氧化並不令人驚訝，該研究揭示了1b更高的親(qin) 核性。

 表1. 在流動條件下用臭氧進行氧化中和

最後，在CEPS的情況下，氧化沒有在1秒的時間內(nei) 完成（Table 1，Entry 4），僅(jin) 提供81%的亞(ya) 碸CEPSO和2%的碸CEPSO₂。部分未氧化的CEPS在驟冷條件下水解，形成化合物4（8%）。

所有這些結果都與(yu) 計算機模擬一致，並證實硫化物親(qin) 核性是使用臭氧氧化傾(qing) 向的可靠指標。

考慮到1a是接近CEES的類似物，並且已經表明使用該方法可以將1a選擇性地氧化為(wei) 亞(ya) 碸，作者繼續測試中和CEES的方案。

• 使用1.2當量的臭氧對CEES進行中和，成功地將其氧化為(wei) 亞(ya) 碸，同時避免了有毒碸CEESO₂的形成（Table 1，Entry 5）；

• 使用1當量臭氧的試驗顯示出同樣令人滿意的結果，促進了向亞(ya) 碸CEESO的轉化（Table 1，Entry 6）；

• 當使用亞(ya) 化學計量量的臭氧（0.8當量）時，隻有84%的CEES被氧化為(wei) CEESO（Table 1，Entry 7）。剩餘(yu) 的CEES反應形成化合物5（16%）。

最後，為(wei) 了顯示更高產(chan) 量的潛力，作者還增加了CEES的進料溶液的濃度（在EtOH中為(wei) 0.5M）。使用相同的方案，在1秒內(nei) 獲得向亞(ya) 碸的和選擇性轉化（Table 1，Entry 8）