化学工具锦囊

实验室好物分享―EvoluChem™PhotoRedox Box

作者:石油醚

导读

太阳能是地球上最理想的能源,取之不尽,用之不竭。直接利用太阳能(可见光)促进化学转化具有高效经济环境友好且具有可持续性等特点,是化学合成的不二之选。近年来,可见光促进的有机化学反应受到了科学家广泛的关注和研究,有力地推动了光化学在工业上的应用。随着可见光介导的有机化学反应的蓬勃发展,其相关的反应器也有了很大的发展。近期,来自University of Amsterdam的Timothy Noël教授等[1]人发表在《Chem Catalysis》题为“The promise and pitfalls of photocatalysis for organic synthesis”的论文里面进一步揭示了可见光介导有机反应对于促进反应器的发展具有重要的意义,即“用一个灯和一个夹子,你就可以做出曾经还被认为是不可能的反应。先行动,再问问题。改变一些细节,比如选择一个更大的瓶子或一个新的LED,反应可能会看起来不一样。这就是光化学反应早期的一些经验。

关于光化学装置我们应该知道些什么重要,什么不重要

三个重要的因素:

  • 光照强度
  • 光照波长
  • 反应温度

三个无关紧要的因素:

  • LED光源的瓦数
  • LED的颜色
  • 反应中是否使用了风扇

上述参数中的每一个均可更好的描述一个实验,但若要综合考虑上述因素来研究光催化反应过程,则需要一个基于上述因素的设计的廉价、简单的商业光反应器。

本期的实验室好物分享主要用于商光催化反应器的原件― EvoluChem™PhotoRedox Box.

EvoluChem™PhotoRedox Box研究概述

目前为止,化学家发表的100篇以上的案例均使用PhotoRedox Boxes 进行光化学反应。那什么是PhotoRedox Box?下面,化学空间的小编带大家进入PhotoRedox Box的世界。

PhotoRedox Box的主要组成:

带有固定支架的盒子、风扇、光源、光源安装处(Fig.1a)和反应瓶的支架(Fig.1b)五部分组成。

其所具有的优势为:光化学室均匀分布光线、适合多种光源和规格灵活的小瓶等优势。

Figure 1  PhotoRedox Box的介绍

PhotoRedox Box光反应装置的搭建的基础原理:外加光源通过PhotoRedox Box中释放光束,通过镜子反射光至反应瓶,即可进行光反应(Fig.1c)。该套光反应装置主要有PhotoRedox Box、光源、支架、搅拌器这四部分主要组成(Fig.1d)。具体的安装视频见EvoluChem’s PhotoRedOx Box Photoreactor by HepatoChem。此外,PhotoRedox Box的灵活性可以将不同公司生产的的LED灯放入反应器中,以及使用从200 μL到20 mL的任何小瓶大小。基于PhotoRedox Box组装的光反应装置在LED灯释放的光量、不同LED灯波长的反应性以及PhotoRedox Box中温度的控制等方面均有很好的研究,进一步体现了PhotoRedox Box在光化学反应中强大的实用性。

与商业光反应器的对比:

目前为止,University of Regensburg的Burkhard Koenig教授购买了一系列商业可得光反应装置(Fig.2)来对反应进行相关的研究[2],并在《ChemPhotoChem》上发表了题为“Effects of Light Intensity and Reaction Temperature on Photoreactions in Commercial Photoreactors”,该项研究主要说明同一反应中不同的光反应器将导致不同的反应性能,并且强调了光强度不是阻碍光氧化还原反应效率的唯一的因素。

Figure 2 本研究中使用的光反应器

本文所对比的四款反应器主要是具体介绍如下:

第一款光催化反应器是Princeton大学Merck催化中心研发的PENNOC光反应器,该反应器是一种无需外部设备的一体化光反应器,具有内置磁力搅拌系统、用于冷却的变速风扇,并兼容三种不同的 LED 模块(365、420 或450 nm)。光强度、反应时间和风扇速度均可调节,以适应反应需要和由触摸屏面板控制的所有设置

第二款光催化反应器是由HepatoChem Box的EvoluChem™PhotoRedox Box该装置是一个模块化的光反应器,器需外部搅拌板和光源才能运行,可与大多数样品瓶规格(0.3、2、4、8 和 20 mL),且可以同时运行多达 32 个样品瓶。

第三和第四款均为TAK120反应器,根据冷却方式的不同分为液冷和风冷两种。反应器是一个模块化系统,需要外部磁力搅拌器才能运行,有 365、455、521 和 850 nm 波长可供选择(双色选项)。

反应结果对比:

Burkhard Koenig教授选用几种不同类型的反应来对四种不同光反应器的反应性进行了探究:

1)胺与Michael受体的α-烷基化反应[3](Scheme 1)

Scheme 1 光氧化还原介导的胺的α位官能团化

Table 1 针对Brønsted酸促进的α-胺基C-H键与Michael受体的光催化自由基加成反应对比5种光反应设备

研究结果表明(Table 1),1)与文献报道的结果(35 %,90 min)相比,所有光反应器获得反应的产率均有所提高(<50 % 90 min),主要归因于高强度蓝光 LED 代替文献报道中使用的的荧光灯;2)实验中的温度变化很大(PhotoRedox Box和TAK120 AC之间的温度范围接近48°C),并且温度升高对于反应有利;3)对于三个 TAK120最高光强度反应(蓝色方块)的初始速率很快;4) TAK120 AC 达到一个不受控制并且不安全温度的速度很快,其可获得与TAK120 运行 40 °C 冷却器的反应结果类似;5)反应转化率最高的是Penn OC反应器,表示为光强度和温度的中点(绿框);6)对于该反应,温度升高有利于反应的进行。综上所述,作者发现温度和光线二者都会对结果产生影响。

2)光氧化还原介导的芳烃胺化反应[4](Scheme 2)

Scheme 2 光氧化还原介导的叔丁基苯与哌啶的Minisci 胺化反应

Table 2 脂肪胺对芳烃胺化的位置选择性

研究结果表明(Table 2):采用的所有风冷光催化反应装置由于无法控制反应温度低于室温,所有风冷光反应器的产率都未能达到10% 以上。液体冷却 TAK120 装置的初步结果略好,2 小时后产率接近 35%,反应保持在~5°C。 然而,由于反应温度无法控制在0℃,四种反应器均未达到文献中报道的62 % 的产率。 基于上述结果表明,低温确实很重要,但增加的光强度并不是生产力。

虽然作者不能解释为什么TAK120没有重现论文的高产率,但作者认为比预期反应温度升高5 °C可能是其中一个因素。作为比较,HepatoChem公司利用Photoredox Box TC进行该反应(Table 3),其TC与Photoredox Box布局相同,但可利用外加冷却剂来控制反应温度至0 °C。此外,HepatoChem公司还利用控制温度和光强的Lucent360进行反应,研究结果表明,两个实验的反应过程的温度均可保持至0°C。使用Lucent 360,反应在15分钟内完成,并观察大量胺产物的生成。虽然利用Photoredox Box TC的反应也可顺利反应,但其反应速率交慢。

Table 3 在 0 °C下使用 Lucent 360 and Photoredox Box TC(未发表的研究)

3)芳烃的三氟甲基化反应[5](Scheme 3)

Scheme 3 Photoredoxtrifluoromethylationof lidocaine

Table 4 Results from Photocatalytic trifluoromethylation of lidocaine

研究结果表明(Table 4): 3个TAK120反应器显示出明显更高的初始产量, TAK120在44°C的反应可定量转化,而其他两个TAK120的例子并没有完全转化,此现象也表明光照强度很重要,但在温度~40°C之间也可能存在一个最佳点,太热或太冷都不利于反应的产率。

PhotoRedox Box中观察到的低转化率令人惊讶,HepatoChem公司采用PhotoRedox Box和光源组合的反应装置对该反应进行了进一步的探究(Table 5),其研究结果表明:在上述反应条件下,其产率均高于之前发表的转化率,并且使用相同的光源,在30°C和50°C观测到相同的初始产率,然而,在较高的温度下,反应停止,而在较低的温度下继续。值得注意的是,较低强度的Kessil光源比EvoluChem LED的产率较低。

Table 5 Unpublished HepatoChem results from Photocatalytic trifluoromethylation of lidocaine

除上述介绍的反应之外,对于使用N-(酰基氧基)酞酰亚胺的有机-光氧化还原Minisci反应[6],最终所有5个反应器的收率都在70-90%之间,且反应曲线较平缓,并在反应时间和转化率上均超过了所报道的文献。另外一个例子,金属光氧化还原催化硅基自由基活化卤代烷的反应[7],所有5个反应器的产率都在71-80%之间。最后,极性匹配选择性C (sp3)-H烷基化中,Penn OC M2和TAK120 AC给出了54-55%的最高产量,其次是PhotoRedox Box(43%),然后是TAK120 LC的29-34%,这表明光强度和温度有关。

总的来说,光强度和温度对光化学反应有影响,但在比较反应器时,我们很难对任何宽泛的结论进行评价,但是可以肯定温度和光强在光催化中起作用,而一个既能控制温度又能控制光强的反应器对光催化研究反应机制会更有用。基于上述不同反应器之间的研究,对于任何商用光反应器的选择,应该归结为几个关键点,即1)反应是否可重现;2)反应器是否可以灵活地运行多个波长;3)可接受的时间内运行需要的反应次数;4) 是否以可以放大反应的方式了解反应参数。如果是这样,那么反应就是成功的。

参考文献

  • [1] T. Noël, E. Zysman-Colman, Chem Catal. 2022, 2, 468. doi: 10.1016/j.checat.2021.12.015.
  • [2]  T. D. Svejstrup, A. Chatterjee, D. Schekin, T. Wagner, J. Zach, M. J. Johansson, G. Bergonzini, B. König, ChemPhotoChem 2021, 5, 808 doi:10.1002/cptc.202100059.
  • [3] L. Ruiz Espelt, E. M. Wiensch, T. P. Yoon, J. Org. Chem. 2013, 78, 4107. doi: 10.1021/jo400428m.
  • [4] A. Ruffoni, F. Juliá, T. D. Svejstrup, A. J. McMillan, J. J. Douglas, D. Leonori, Nat. Chem. 2019, 11, 426. doi:10.1038/s41557-019-0254-5.
  • [5] D. A. Nagib, D. W. C. Macmillan, Nature 2011, 480, 224. doi: 10.1038/nature10647.
  • [6] P. Zhang, C. C. Le, D. W. C. MacMillan, J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 8084doi: 10.1021/jacs.6b04818.
  • [7] C. Le, Y. Liang, R. W. Evans, X. Li, D. W. C. MacMillan, Nature 2017, 547, 79. doi: 10.1038/nature22813

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