光化學反應為合成化學提供了許多有價值和實用的方法。然而，使用傳統(tǒng)間歇反應器的光化學過程通常需要較長的輻照時間，傳統(tǒng)間歇反應器通常會導致產(chǎn)率和選擇性下降。光強度隨著光程長度的增加呈指數(shù)衰減。因此，微通道反應系統(tǒng)中的反應將在相當短的輻照時間內(nèi)進行（圖 1)，確保有效照射的更短的光路。這種情況推動了緊湊型光輻照源的發(fā)展，以適應緊湊型流動反應器，使光化學反應成為一種節(jié)能、高效的過程。

圖1、使用批處理和微流反應器進行光反應

1、 流動[2 + 2] 光環(huán)加成（Flow [2?+?2] cycloaddition）

使用連續(xù)流光化學反應器用高壓汞燈照射環(huán)己烯酮與醋酸乙烯酯的流 [2 + 2] 光環(huán)加成反應得到88% 的環(huán)加成產(chǎn)物，停留時間為2小時（方案1）。當使用具有相同光源的10mL Pyrex 燒瓶以分批模式運行相同的反應時，經(jīng)過 [2 + 2] 環(huán)加成反應的產(chǎn)物在照射 2 小時后以8%的產(chǎn)率獲得。

方案1、環(huán)己酮和醋酸乙烯酯的流動 [2 + 2] 環(huán)加成和 Paterno-Büchi 反應

使用光化學微反應器進行二苯甲酮與異戊二烯醇的 Paterno-Büchi 反應，得到 84% 的氧雜環(huán)丁烷產(chǎn)率，停留時間為 4 小時，而使用 Pyrex 圓底燒瓶的間歇模式反應即使在較長的輻照時間（92 小時，51% 產(chǎn)率）下也只能以中等產(chǎn)率得到產(chǎn)物。

2、流動巴頓亞硝酸反應（Flow Barton nitrite reaction）

原批式巴頓-亞硝酸鹽反應使用高壓汞燈。在擴大規(guī)模時，輻照燈必須適應大型反應器，這導致成本大幅增加。我們發(fā)現(xiàn)使用微型反應器的流動反應在使用緊湊型光源（如 CFL 黑光燈）的情況下進行得非常好，從而提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量，并節(jié)省了大量能源。例如， 如圖6 a) 所示，我們獲得了 71% 產(chǎn)率的所需肟，它是合成楊梅酸 A 的關鍵中間體，一種內(nèi)皮素受體拮抗劑（方案2）[ 20 , 21 ]。相比之下，使用 20 mL Pyrex 圓底燒瓶的分批反應需要更長的黑光照射時間，從而以 58% 的產(chǎn)率得到所需的肟。當我們檢查 UV-LED (Seoul Optodevice, 365 nm, and 35 mW × 48 pieces, total: 1.7 W) 時（圖 6b)，它得到了 70% 的肟產(chǎn)率，代表了第一個使用 LED 的巴頓-亞硝酸鹽反應。受到這些結果的鼓舞，我們設計了一個更擴展的光流裝置（DNS），它具有平行的 16 個通道，總容量為 8 mL，其中每個通道的寬度為 1 mm，深度為 0.5 mm，長度為 50 cm（圖 6 c ）。對于可擴展的合成，我們使用了六個黑光燈。結果，在連續(xù)操作 40 小時（20 分鐘停留時間）后，我們獲得了 5.3 克所需產(chǎn)物（61% 分離產(chǎn)率）（方案2）。

圖6、用于巴頓-亞硝酸鹽反應的 DNS 流動反應器和緊湊型光源。( a ) 帶黑光 (360 nm) 的 DNS 反應器。( b ) 帶有 UV-LED（360 nm，48 盞燈）的 DNS 反應器。( c ) 使用擴展 DNS 反應器的可擴展流合成

方案2、流動巴頓-亞硝酸鹽反應

3、流動光異構化合成PCBM

[6,6]-Phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) 作為用于有機光伏 (OPV) 的 n 型有機半導體材料表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。在加熱條件下成功流動合成 PCBM 的前體富勒體后，我們使用流動光反應器研究了 PCBM 的異構化。使用流動光反應器和光源照射富勒體的 1,2,4-trimethylbenzene溶液。因此，我們發(fā)現(xiàn)使用停留時間為 5 分鐘的鈉燈（589 nm，360 W）可以定量產(chǎn)率地得到所需的異構化產(chǎn)物。

方案3、PCBM的流程合成

4、流動光氧化還原催化烷基化（Flow photoredox-catalyzed alkylation）

釕光氧化還原催化劑在作為氫源的 Hantzsch 酯存在下催化烯烴的氫二氟烷基化。溴二氟甲基苯與丙烯酸甲酯的間歇反應在照射 12 小時后得到氫二氟烷基化產(chǎn)物，產(chǎn)率為 71%。為了縮短照射時間，我們使用連續(xù)流光化學反應器和白色 LED（5 W × 2）（圖 7），僅 20 分鐘的停留時間即可得到 82% 產(chǎn)率的產(chǎn)物（方案4）。

方案4、Ru-photoredox-catalyzed flow hydrodifluoroalkylation

流動光反應器的使用對于 Ir-光氧化還原催化反應也是有效的。Fujimoto 及其同事報道，手性羧酸與丙烯酸甲酯的光氧化還原反應通過脫羧自由基加成得到相應的烷基化產(chǎn)物 [ 24 ]。使用 流動光反應器以 80% 的產(chǎn)率和 4 小時的停留時間獲得產(chǎn)物。間歇反應非常緩慢，輻照 47 小時后產(chǎn)物的產(chǎn)率為 50%。所得產(chǎn)物用于L-糖胺（L-ossamine）的正式全合成。

方案5、紅外光氧化還原催化流動脫羧烷基化

5、Flow Cossy reaction

Cossy 自由基環(huán)化是獨一無二的，因為它不需要任何自由基引發(fā)劑或介質(zhì)，例如氫化三丁基錫（tributyltin hydride）。該反應通過從三乙胺到帶有炔基單元的烷基鹵化物的單電子轉移進行，并且批處理協(xié)議使用使用熒光燈（254 nm，300 W）的光照射。盡管分批反應條件需要 0.5 到 1 小時才能達到 0.01 M 的底物濃度，但流動反應將反應時間縮短到 5 分鐘，并且可以耐受 0.1 M 的更高底物濃度。使用大體積流動光反應器和兩組6 W低壓汞燈得到 4 g 環(huán)化產(chǎn)物，連續(xù)操作 18 h (方案6 )。

方案6、Flow Cossy型自由基環(huán)化

6、流動光還原

胺的光誘導單電子轉移可應用于芳基或烯基鹵化物的還原。在篩選胺之后，我們發(fā)現(xiàn) DABCO（1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane）在還原方面效果很好。不幸的是，使用間歇反應器的反應需要 10 小時的輻照。然而，使用 YMC 的流動光反應器的反應只需要 20 分鐘的停留時間獲得比較產(chǎn)量的時間（方案7）。

方案7、流動光/胺誘導的還原

7、流動C–H光溴化（Flow C–H bromination）

使用光流反應器使用分子溴作為具有成本效益的溴源進行烷烴的光溴化。為避免副產(chǎn)物 HBr 的影響，使用微型混合器（內(nèi)徑，0.5 mm）將分子溴的環(huán)己烷溶液與水混合。然后將所得混合物隨后在黑燈泡的照射下引入流動反應器中。溴環(huán)己烷的收率為 78%，副產(chǎn)物 1,2-二溴環(huán)己烷的收率為 9%（方案8）。該反應的停留時間為 5.7 分鐘，使用間歇反應器（Pyrex，3 cm id 試管）在相同反應時間下的反應僅產(chǎn)生 11% 的轉化率。

方案8、使用分子溴的流動光溴化

烷基苯的流動光溴化也很成功。使用光微反應器的照射下，4-苯基甲苯與分子溴的反應順利進行，停留時間為 43 秒，得到單溴化產(chǎn)物和二溴化產(chǎn)物副產(chǎn)物的產(chǎn)率分別為 75% 和 8%（方案9）[ 28 ]。

方案9、使用分子溴對烷基芳烴進行流動溴化

8、流動 C–H 氯化

烷烴的光氯化反應是合成有價值的合成原料烷基氯化物最直接的方法之一。我們演示了使用硫酰氯作為氯源的烷烴的流動氯化。當在室溫下在黑光（15 W）的照射下將硫酰氯和環(huán)庚烷的混合物引入 Mikroglass Dwell 裝置時，反應選擇性地得到氯代環(huán)庚烷，產(chǎn)率為 87%（方案10）[ 29 ]。背壓調(diào)節(jié)器 (BPR) 的使用有效抑制了 SO 2和 HCl 等生成氣體引起的團狀流。

方案10、使用 SO 2 Cl 2進行流動氯化

最近我們[ 30 ]和Kappe 組[ 31 ]同時報道了使用HCl和NaOCl原位生成Cl 2氣體的烷烴的光氯化反應。當使用微型混合器將鹽酸與 NaOCl 水溶液混合時，會產(chǎn)生 Cl 2氣體。然后將所得氣/液混合物與環(huán)己烷混合。將混合物引入用黑光照射的 Mikroglass Dwell Device。C-H 氯化反應有效地得到氯環(huán)己烷，產(chǎn)率為 94%，停留時間為 1 分鐘（方案11）[ 30 ]。

方案11、通過原位產(chǎn)生的 Cl 2進行流動氯化

碳酸亞乙烯酯由碳酸亞乙酯通過 C-H 氯化和隨后的脫氯化氫得到 [ 32 ]。我們使用新設計的長尺寸光流反應器 和 UV-LED（圖 10）檢查了光流氯化。在該光反應器中，所有反應器部件均由石英玻璃制成，以避免腐蝕問題，頂部和底部的兩個入口分別用于氯氣和碳酸亞乙烯酯，頂部和底部的兩個出口分別用于 HCl 氣體和氯化乙烯碳酸鹽，分別。使用 30 秒的停留時間進行反應，得到一氯化碳酸亞乙酯，碳酸亞乙酯轉化率為 62%，單氯化產(chǎn)物純度為 86%（方案12）。

方案12、Cl 2對碳酸亞乙酯的流動光氯化

9、流動 C-H 氧化

幾個小組已經(jīng)在流動中進行了十鎢酸鹽陰離子催化的 C-H 官能化 [ 33 , 34 , 35 , 36 ]。他們報告說，停留時間從 15 到 120 分鐘不等。我們開始好奇光的力量如何縮短停留時間。Itoh 及其同事報道了使用分子氧將苯甲醇流光氧化為苯甲酸 [ 37 ]。在確認添加十鎢酸鹽催化劑顯著加速了間歇反應中的氧化后，我們發(fā)現(xiàn)使用高功率 LED 燈照射加速了十鎢酸鹽陰離子催化苯甲醇的氧化 [ 38]。使用帶有光流反應器的流量設置并暴露于 MiChS UV-LED -S 光輻照系統(tǒng)（365 nm，480 W）（圖 11），分子氧對苯甲醇的氧化反應僅在 5 分鐘的停留時間內(nèi)進行，得到苯甲酸，產(chǎn)率為 71%，產(chǎn)率為 24%苯甲醛（方案13）。設置為 5 psi 的背壓調(diào)節(jié)器可以控制 1:1 的氣體/液體團狀流。

方案13、十鎢酸根離子光催化苯甲醇流動氧化制苯甲酸的光功率加速

Improved efficiency of photo-induced synthetic reactions enabled by advanced photo flow technologies

https://doi.org/10.1007/s43630-021-00151-6