王曉團(tuán)隊(duì)基于連續(xù)流技術(shù)高效綠色合成雙硫侖并探索其工業(yè)化
由于化學(xué)化工行業(yè)對可持續(xù)發(fā)展和綠色制造的迫切需求，連續(xù)流化學(xué)作為一門新興學(xué)科越發(fā)受到廣泛關(guān)注。連續(xù)流反應(yīng)具有傳質(zhì)快、傳熱效率高、過程安全性好、廢料排放少等優(yōu)點(diǎn)，從而易于實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)生產(chǎn)的無瓶頸放大。
最近，王曉課題組以連續(xù)流技術(shù)為核心，開發(fā)出一套用于連續(xù)光催化合成的微反應(yīng)系統(tǒng)，用于合成重要的橡膠硫化促進(jìn)劑和藥用分子二硫化四乙基秋蘭姆（TETD，雙硫侖）。新方法極大縮短了反應(yīng)時(shí)間，并提高了產(chǎn)品收率和純度。實(shí)現(xiàn)結(jié)果表明，在僅25分鐘的停留時(shí)間下，TETD產(chǎn)率即可達(dá)到94%。經(jīng)過長時(shí)間的放量實(shí)驗(yàn)，此系統(tǒng)仍可保持良好的穩(wěn)定性，TETD的分離產(chǎn)率高達(dá)96%。相關(guān)成果以?“Continuous-flow step-economical synthesis of thiuram disulfides via?visible-light photocatalytic aerobic oxidation”為題發(fā)表于Green Chemistry（2021, 23, 1280），王曉副教授為通訊作者，2018級碩士研究生許皓星為本文第一作者。
秋蘭姆類促進(jìn)劑的傳統(tǒng)合成步數(shù)多，并通常使用強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、過氧化氫、金屬氧化物等試劑，反應(yīng)慢，放熱量大，廢料處理成本高。新方法使用氧氣作為綠色廉價(jià)的氧化劑，只需一步，且不使用任何額外的酸或堿；根據(jù)Lambert-Beer定律將微通道與光催化結(jié)合，從而綠色高效地合成該類產(chǎn)品（圖1）。因在微通道中反應(yīng)徹底，原料可按接近1:1的比例添加，故新方法除溶劑和有機(jī)光催化劑外，不產(chǎn)生任何廢料。
圖1.?TETD傳統(tǒng)合成工藝與連續(xù)流工藝的對比
首先，團(tuán)隊(duì)以二乙胺和二硫化碳為原料，研究了光催化劑和光源對合成相應(yīng)二硫化物的影響，確立了以Eosin Y為光催化劑，綠光為光源的方案。隨后設(shè)計(jì)了一套連續(xù)流反應(yīng)裝置，采用氣體質(zhì)流控制器（MFC）進(jìn)行氧氣輸送，以恒流泵輸送底物和催化劑的溶液，兩股物料在通過微混合器后進(jìn)入微通道反應(yīng)器中形成氣-液兩相間斷流。并在反應(yīng)器周圍添加LED光源，在裝置的下游部分安裝微型背壓調(diào)節(jié)器以控制系統(tǒng)總壓（圖2）。在這套裝置中，氣、液流量可以得到精準(zhǔn)的控制，混合效果遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)批次反應(yīng)器。微反應(yīng)器光程長度僅0.8 mm，從而提高了光化學(xué)反應(yīng)效率。
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圖2.?用于連續(xù)合成TETD的微反應(yīng)器系統(tǒng)
隨后，團(tuán)隊(duì)對流動反應(yīng)的保留時(shí)間、壓力、溶劑等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化（圖3），確立了醇類為溶劑、壓力75 psi、停留時(shí)間20–25 min 的最優(yōu)反應(yīng)條件，并進(jìn)一步合成了多種常用的秋蘭姆類促進(jìn)劑（圖4）。機(jī)理方面，團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)確立了質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移（PCET）反應(yīng)機(jī)理，并采用二苯基異苯并呋喃（DPBF）作為單線態(tài)氧捕獲劑，觀測到UV-Vis光譜中409 nm處DPBF紫外吸收明顯減少，證實(shí)了單線態(tài)氧的存在。
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圖3. （a）壓力對以乙醇為溶劑合成TETD產(chǎn)率的影響；（b）反應(yīng)停留時(shí)間對以乙醇為溶劑合成TETD的產(chǎn)率的影響；（c）反應(yīng)停留時(shí)間對以甲醇作為溶劑合成TETD的產(chǎn)率的影響。
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圖4.?底物適用范圍
目前合作企業(yè)已完成工業(yè)化論證。每套裝置預(yù)計(jì)占地面積小于1 m2，僅為傳統(tǒng)批次反應(yīng)的1/20左右（相同產(chǎn)能下），造價(jià)控制在4萬元以下。在高流速下連續(xù)運(yùn)行，預(yù)計(jì)日產(chǎn)能可達(dá)幾十千克。產(chǎn)品晶型和純度都優(yōu)于傳統(tǒng)方法，安全性大大提高，廢液排放量顯著減少。申報(bào)專利一項(xiàng)（202011315319.5）。該項(xiàng)目的開展，為尋找一種普適的連續(xù)流氧氣氧化方案提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。
此外，課題組以類似的連續(xù)流反應(yīng)裝置促進(jìn)C–N糖苷鍵生成，提出了N9嘌呤核苷的前生物合成新途徑，于近日發(fā)表于Cell Reports Physical Science（2021, 2, 100375）。并運(yùn)用上述兩相流體系，在燃油氧化脫硫反應(yīng)方面取得了進(jìn)展（J. Flow Chem.2020, 10, 597）。以上工作得到了鶴壁元昊新材料有限公司、國家自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)原創(chuàng)交叉基金的支持。
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