【河北工業(yè)大學案例】采用荷蘭Chemtrix玻璃微通道反應器Kiloflow光催化案例—2,6-二氯甲苯氧化溴化制備2,6-芐溴
【背景介紹】
2,6-二氯芐溴是合成生物活性分子的重要中間體，如功能化[1,4]-噻嗪、4,6-二芳基嘧啶-2(1H)-酮和2-芐氧基苯甲酰胺（圖1）。1-3 2,6-二氯芐溴通常是由2,6-二氯甲苯與Br2在自由基引發(fā)劑存在下或在光照下進行芐基溴化反應得到的。4，5用Br2進行芐基溴化存在一些缺點，每個Br2中都會有一個Br生成副產(chǎn)物HBr，導致Br的利用率很低；而且Br2的毒性和高蒸氣壓使其在運輸和儲存方面都存在危險。
6因此，開發(fā)了許多試劑和方案來替代Br2，以實現(xiàn)選擇性芐基溴化，如H2O2/HBr/NBS，7 BBr3和8 NBS/SiCl4，9還有各種氧化溴化體系，例如NaBrO3/NaHSO3，10 NaBrO3/KBr-/H+，11 KBr/Oxone，12 NaNO2/KBr/HCl13和 HBr/H2O2。14-17其中最值得推薦的氧化溴化體系是HBr/H2O2，因為HBr和H2O2的成本低，Br利用率為100%，H2O是唯一的副產(chǎn)物，這避免了其他氧化劑存在的一些環(huán)境問題。18
傳統(tǒng)上，氧化溴化反應是在間歇式反應器中進行的，14,17但是間歇式反應器存在許多缺點，例如光的輻射距離短，反應效率低，特別是在大規(guī)模生產(chǎn)時有爆炸的風險。
近年來，隨著科學技術的發(fā)展，微通道反應器技術在化學轉化方面取得了重大進展。19-22與傳統(tǒng)的間歇式反應器相比，微通道反應器具有傳質和傳熱效率高、比表面積大、安全性高和操作性好等特點，不僅能精確控制反應條件，獲得高選擇性的目標產(chǎn)物，而且易于放大。
實際上，微通道反應器因其上述優(yōu)點以及反應物更容易接觸到光的優(yōu)勢，在光催化化學領域得到了廣泛的應用，包括光氧化催化、23 β-二羰基化合物、24丙烯醛與糖基自由基的共軛加成、25雜環(huán)的三氟甲基化、26苯氧化制備苯酚27、光引發(fā)的芐基氯化28和脂環(huán)化合物氯化。29,30并且微型反應器31-34也被應用于光照下使用Br2或HBr/H2O2進行的芐基溴化反應。另一方面，間歇式反應器中，原位生成的Br2會催化H2O2嚴重分解，而在微通道反應器中反應物的接觸時間較短，所以預計在微通道反應器中用HBr/H2O2進行的氧化溴化反應將會大大減少H2O2的分解。35
河北工業(yè)大學的張月成教授課題組在荷蘭Chemtrix玻璃微通道反應器Kiloflow中，光催化下，以HBr為溴源，H2O2為氧化劑，2,6-二氯甲苯氧化芐基溴化反應制備2,6-二氯芐溴，此過程安全環(huán)保，經(jīng)濟高效。并考察了反應溫度、反應物料摩爾比、停留時間、光強以及物料濃度等因素的影響，得到了2,6-二氯甲苯制備2,6-二氯芐溴的最佳反應.
一、 【實驗部分】
2.1實驗試劑和儀器
所有試劑均為分析級，直接使用，無需進一步純化。 2,6-二氯甲苯 (DCT)、1,2-二氯乙烷、過氧化氫水溶液 (H2O2, 30.0 wt.%) 和氫溴酸 (HBr, 47.0 wt.%) 由上海泰坦化學試劑合作公司提供。 去離子水是我們實驗室自己配制的。
在來自 Chemtrix B.V. (Echt, The Netherlands) 的 Kiloflow 型連續(xù)流微通道反應器中進行光照射下2,6-二氯甲苯的氧化芐基溴化反應。光源由3個5W的光板和2個36W的燈帶組成，發(fā)出波長為435-445nm的藍光。通過將光板和光條放置在距離微通道反應器的玻璃反應板5mm處來照亮反應混合物。在配備有Shim-packVP-ODS C18柱的Shimadzu高效液相色譜儀(HPLC)上分析反應液。
2.2 實驗過程
在一個典型的實驗中，將22.7g（0.141mol）2,6-二氯甲苯和73.0 mL1,2-二氯乙烷依次加入一個錐形瓶中，得到溶液A。在另一個錐形瓶中加入26.0 g 30.0wt.％的H2O2，然后加入75.2 mL去離子水稀釋，得到溶液B。然后，在第三個錐形瓶中加入40.0 g 47.0wt.％的HBr，然后加入75.1mL的去離子水稀釋，得到溶液C。
如圖2所示，溶液A、B和C分別由三個10mL的進液泵輸送，溶液B和C首先通過一個三通閥混合，并在第二個三通閥中與溶液A混合。混合物最后進入微通道反應器中，在給定的溫度和壓力下完成反應。反應液從反應器中流出，在冷阱中低溫淬滅（0℃）。在整個過程中，反應器的壓力由入口處的壓力表監(jiān)測，并由出口處的背壓閥控制。
反應完成后，反應混合物用高效液相色譜進行分析。首先，用高效液相色譜法（HPLC）建立標準曲線，用于定量分析2,6-二氯甲苯、2,6-二氯芐溴和2,6-二氯苯甲酸。2,6-二氯甲苯的轉化率以及2,6-二氯芐溴和2,6-二氯苯甲酸的選擇性是用以下公式（1）-（3）計算的：
二、 【實驗結果與討論】
3.1 溫度對反應的影響
對于在微通道反應器中，使用特定波長和強度的光照射2,6-二氯甲苯的氧化芐基溴化反應，反應溫度是影響反應的關鍵因素。因此首先研究了反應溫度對反應的影響。經(jīng)測定，反應主要產(chǎn)物為2,6-二氯芐溴和2,6-二氯苯甲酸，沒有觀察到芳基取代產(chǎn)物，表明在該反應條件下，微通道反應器對芐基取代反應的選擇性很好。如圖3所示，隨著溫度從30℃增加到70 ℃，2,6-二氯甲苯的轉化率從15.5%增加到67.8%，2,6-二氯芐溴的選擇性從68.7%增加到75.3%。隨著反應溫度在70℃以上的進一步提高，2,6-二氯甲苯的轉化率和2,6-二氯芐溴的選擇性都略有增加。同時，在所有情況下，2,6-二氯苯甲酸的選擇性幾乎保持在10.2%左右。
反應條件：87W藍光，HBr:H2O2:2,6-二氯甲苯(摩爾比)=1.3:1.3:1;溶液A:15.0wt.%的2,6-二氯甲苯(0.093 mol)溶于73.0 mL1,2-二氯乙烷,1.47 mL/min;溶液B:12.5wt.%HBr水溶液, 1.3 mL/min;溶液C: 5.76 wt.% 的H2O2 水溶液, 1.3 mL/min; 停留時間：5.82 min;反應壓力：0.8 MPa。
DCT:2,6-二氯甲苯
DCBB:2,6-二氯芐溴
DCBA：2,6-二氯苯甲酸
3.2 HBr和H2O2用量對反應的影響
接下來，作者研究了HBr: H2O2:2,6-二氯甲苯的摩爾比對芐基氧化溴化反應的影響。如圖4所示，2,6-二氯甲苯的轉化率隨著HBr：H2O2：2,6-二氯甲苯摩爾比的增加而增加，在1.96：1.96：1時達到95.2%，但2,6-二氯芐溴的選擇性隨著HBr：H2O2：2,6-二氯甲苯摩爾比的增加而降低；隨著其摩爾比的進一步增加，2,6-二氯甲苯的轉化率和2,6-二氯芐溴的選擇性都略有增加；2,6-二氯苯甲酸的選擇性隨著HBr: H2O2:2,6-二氯甲苯摩爾比的變化而略有變化，保持在10.4%左右。
為了在較低的HBr和H2O2消耗量下獲得更高產(chǎn)量的2,6-二氯芐溴，最佳的HBr：H2O2：2,6-二氯甲苯摩爾比被確定為1.5：1.5：1。在這種情況下，2,6-二氯甲苯的轉化率為76.1%，2,6-二氯芐溴的選擇性為73.8%。以上結果表明，在微通道反應器中用H2O2/HBr進行氧化溴化反應比在間歇式反應器中進行更有優(yōu)勢，因為H2O2的消耗量更低。在間歇式反應器中進行類似的氧化溴化時，H2O2與HBr的最佳摩爾比約為2：1。35
反應條件: 87 W 藍光 ；溶液A: 15.0 wt.% 的2,6-二氯甲苯(0.093 mol) 溶于73.0 mL 1,2-二氯乙烷;溶液 B: 12.5 wt.% HBr水溶液; 溶液 C: 5.76 wt.% H2O2 水溶液; 停留時間：5.83 min;反應壓力：0.8 MPa; 反應溫度：70℃。
DCT:2,6-二氯甲苯
DCBB:2,6-二氯芐溴
DCBA：2,6-二氯苯甲酸
3.3停留時間對反應的影響
在微通道反應器中，反應物的停留時間是影響反應的另一個關鍵因素，它也間接反映了光催化反應中光對反應物的照射時間。因此，在 70℃和 HBr:H2O2:2,6-二氯甲苯摩爾比為 1.5:1.5:1 時，研究了停留時間對反應的影響。如圖 5 所示，2,6-二氯甲苯的轉化率最初隨著停留時間的增加而增加，在停留時間為5.88 min 時，轉化率達到最大值 76.1%，然后隨著停留時間的延長而緩慢下降，直到停留時間達到 9.43 min時，轉化率急劇下降。
2,6-二氯甲苯轉化率在停留時間為9.43min以上時急劇下降，可能是因為在微通道反應器中，水相和有機相在較長停留時間下混合不均勻。 2,6-二氯芐溴的選擇性隨著停留時間的增加而緩慢增加，在停留時間為5.88 min時達到最大值73.8%，然后隨著停留時間的進一步延長而略有下降。與其他情況類似，2,6-二氯苯甲酸的選擇性隨停留時間略有變化，約為12.7%。因此，停留時間確定為 5.88 min。
反應條件：87W藍光； HBr: H2O2:2,6-二氯甲苯（摩爾比）= 1.5:1.5:1；溶液A: 15.0 wt.% 2,6-二氯甲苯(0.093 mol) 溶于73.0 mL 1,2-二氯乙烷; 溶液B：12.5wt.%的HBr水溶液； 溶液C：5.76wt.%的H2O2水溶液；反應壓力：0.8 MPa；反應溫度：70 ℃。
DCT:2,6-二氯甲苯
DCBB:2,6-二氯芐溴
DCBA：2,6-二氯苯甲酸