光化學(xué)反應(yīng)為合成化學(xué)提供了許多有價(jià)值和實(shí)用的方法。然而，使用傳統(tǒng)間歇反應(yīng)器的光化學(xué)過(guò)程通常需要較長(zhǎng)的輻照時(shí)間，傳統(tǒng)間歇反應(yīng)器通常會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)率和選擇性下降。光強(qiáng)度隨著光程長(zhǎng)度的增加呈指數(shù)衰減。因此，微通道反應(yīng)系統(tǒng)中的反應(yīng)將在相當(dāng)短的輻照時(shí)間內(nèi)進(jìn)行（圖 1)，確保有效照射的更短的光路。這種情況推動(dòng)了緊湊型光輻照源的發(fā)展，以適應(yīng)緊湊型流動(dòng)反應(yīng)器，使光化學(xué)反應(yīng)成為一種節(jié)能、高效的過(guò)程。

圖1、使用批處理和微流反應(yīng)器進(jìn)行光反應(yīng)

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

使用連續(xù)流光化學(xué)反應(yīng)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(yīng)得到88% 的環(huán)加成產(chǎn)物，停留時(shí)間為2小時(shí)（方案1）。當(dāng)使用具有相同光源的10mL Pyrex 燒瓶以分批模式運(yùn)行相同的反應(yīng)時(shí)，經(jīng)過(guò) [2 + 2] 環(huán)加成反應(yīng)的產(chǎn)物在照射 2 小時(shí)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(dòng) [2 + 2] 環(huán)加成和 Paterno-Büchi 反應(yīng)

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

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

原批式巴頓-亞硝酸鹽反應(yīng)使用高壓汞燈。在擴(kuò)大規(guī)模時(shí)，輻照燈必須適應(yīng)大型反應(yīng)器，這導(dǎo)致成本大幅增加。我們發(fā)現(xiàn)使用微型反應(yīng)器的流動(dòng)反應(yīng)在使用緊湊型光源（如 CFL 黑光燈）的情況下進(jìn)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(guān)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(yīng)需要更長(zhǎng)的黑光照射時(shí)間，從而以 58% 的產(chǎn)率得到所需的肟。當(dāng)我們檢查 UV-LED (Seoul Optodevice, 365 nm, and 35 mW × 48 pieces, total: 1.7 W) 時(shí)（圖 6b)，它得到了 70% 的肟產(chǎn)率，代表了第一個(gè)使用 LED 的巴頓-亞硝酸鹽反應(yīng)。受到這些結(jié)果的鼓舞，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)更擴(kuò)展的光流裝置（DNS），它具有平行的 16 個(gè)通道，總?cè)萘繛?8 mL，其中每個(gè)通道的寬度為 1 mm，深度為 0.5 mm，長(zhǎng)度為 50 cm（圖 6 c ）。對(duì)于可擴(kuò)展的合成，我們使用了六個(gè)黑光燈。結(jié)果，在連續(xù)操作 40 小時(shí)（20 分鐘停留時(shí)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(yīng)的 DNS 流動(dòng)反應(yīng)器和緊湊型光源。( a ) 帶黑光 (360 nm) 的 DNS 反應(yīng)器。( b ) 帶有 UV-LED（360 nm，48 盞燈）的 DNS 反應(yīng)器。( c ) 使用擴(kuò)展 DNS 反應(yīng)器的可擴(kuò)展流合成

方案2、流動(dòng)巴頓-亞硝酸鹽反應(yīng)

3、流動(dòng)光異構(gòu)化合成PCBM

[6,6]-Phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) 作為用于有機(jī)光伏 (OPV) 的 n 型有機(jī)半導(dǎo)體材料表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。在加熱條件下成功流動(dòng)合成 PCBM 的前體富勒體后，我們使用流動(dòng)光反應(yīng)器研究了 PCBM 的異構(gòu)化。使用流動(dòng)光反應(yīng)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(shí)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(gòu)化產(chǎn)物。

方案3、PCBM的流程合成

4、流動(dòng)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(yīng)在照射 12 小時(shí)后得到氫二氟烷基化產(chǎn)物，產(chǎn)率為 71%。為了縮短照射時(shí)間，我們使用連續(xù)流光化學(xué)反應(yīng)器和白色 LED（5 W × 2）（圖 7），僅 20 分鐘的停留時(shí)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(dòng)光反應(yīng)器的使用對(duì)于 Ir-光氧化還原催化反應(yīng)也是有效的。Fujimoto 及其同事報(bào)道，手性羧酸與丙烯酸甲酯的光氧化還原反應(yīng)通過(guò)脫羧自由基加成得到相應(yīng)的烷基化產(chǎn)物 [ 24 ]。使用 流動(dòng)光反應(yīng)器以 80% 的產(chǎn)率和 4 小時(shí)的停留時(shí)間獲得產(chǎn)物。間歇反應(yīng)非常緩慢，輻照 47 小時(shí)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(dòng)脫羧烷基化

5、Flow Cossy reaction

Cossy 自由基環(huán)化是獨(dú)一無(wú)二的，因?yàn)樗恍枰魏巫杂苫l(fā)劑或介質(zhì)，例如氫化三丁基錫（tributyltin hydride）。該反應(yīng)通過(guò)從三乙胺到帶有炔基單元的烷基鹵化物的單電子轉(zhuǎn)移進(jìn)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(yīng)條件需要 0.5 到 1 小時(shí)才能達(dá)到 0.01 M 的底物濃度，但流動(dòng)反應(yīng)將反應(yīng)時(shí)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(dòng)光反應(yīng)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(dòng)光還原

胺的光誘導(dǎo)單電子轉(zhuǎn)移可應(yīng)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(yīng)器的反應(yīng)需要 10 小時(shí)的輻照。然而，使用 YMC 的流動(dòng)光反應(yīng)器的反應(yīng)只需要 20 分鐘的停留時(shí)間獲得比較產(chǎn)量的時(shí)間（方案7）。

方案7、流動(dòng)光/胺誘導(dǎo)的還原

7、流動(dòng)C–H光溴化（Flow C–H bromination）

使用光流反應(yīng)器使用分子溴作為具有成本效益的溴源進(jìn)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(dòng)反應(yīng)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(yīng)的停留時(shí)間為 5.7 分鐘，使用間歇反應(yīng)器（Pyrex，3 cm id 試管）在相同反應(yīng)時(shí)間下的反應(yīng)僅產(chǎn)生 11% 的轉(zhuǎn)化率。

方案8、使用分子溴的流動(dòng)光溴化

烷基苯的流動(dòng)光溴化也很成功。使用光微反應(yīng)器的照射下，4-苯基甲苯與分子溴的反應(yīng)順利進(jìn)行，停留時(shí)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(duì)烷基芳烴進(jìn)行流動(dòng)溴化

8、流動(dòng) C–H 氯化

烷烴的光氯化反應(yīng)是合成有價(jià)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(dòng)氯化。當(dāng)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(shí)，反應(yīng)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(tuán)狀流。

方案10、使用 SO 2 Cl 2進(jìn)行流動(dòng)氯化

最近我們[ 30 ]和Kappe 組[ 31 ]同時(shí)報(bào)道了使用HCl和NaOCl原位生成Cl 2氣體的烷烴的光氯化反應(yīng)。當(dāng)使用微型混合器將鹽酸與 NaOCl 水溶液混合時(shí)，會(huì)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(yīng)有效地得到氯環(huán)己烷，產(chǎn)率為 94%，停留時(shí)間為 1 分鐘（方案11）[ 30 ]。

方案11、通過(guò)原位產(chǎn)生的 Cl 2進(jìn)行流動(dòng)氯化

碳酸亞乙烯酯由碳酸亞乙酯通過(guò) C-H 氯化和隨后的脫氯化氫得到 [ 32 ]。我們使用新設(shè)計(jì)的長(zhǎng)尺寸光流反應(yīng)器 和 UV-LED（圖 10）檢查了光流氯化。在該光反應(yīng)器中，所有反應(yīng)器部件均由石英玻璃制成，以避免腐蝕問(wèn)題，頂部和底部的兩個(gè)入口分別用于氯氣和碳酸亞乙烯酯，頂部和底部的兩個(gè)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(shí)間進(jìn)行反應(yīng)，得到一氯化碳酸亞乙酯，碳酸亞乙酯轉(zhuǎn)化率為 62%，單氯化產(chǎn)物純度為 86%（方案12）。

方案12、Cl 2對(duì)碳酸亞乙酯的流動(dòng)光氯化

9、流動(dòng) C-H 氧化

幾個(gè)小組已經(jīng)在流動(dòng)中進(jìn)行了十鎢酸鹽陰離子催化的 C-H 官能化 [ 33 , 34 , 35 , 36 ]。他們報(bào)告說(shuō)，停留時(shí)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(shí)間。Itoh 及其同事報(bào)道了使用分子氧將苯甲醇流光氧化為苯甲酸 [ 37 ]。在確認(rèn)添加十鎢酸鹽催化劑顯著加速了間歇反應(yīng)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(yīng)器的流量設(shè)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(duì)苯甲醇的氧化反應(yīng)僅在 5 分鐘的停留時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，得到苯甲酸，產(chǎn)率為 71%，產(chǎn)率為 24%苯甲醛（方案13）。設(shè)置為 5 psi 的背壓調(diào)節(jié)器可以控制 1:1 的氣體/液體團(tuán)狀流。

方案13、十鎢酸根離子光催化苯甲醇流動(dòng)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