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无锡瑞升不锈钢反应锅:利用微通道连续流技术进行快速、高效、无催化剂的酰氯酯化反应

发布时间:2019-07-12 09:49:00 点击:    

无锡瑞升不锈钢反应锅不锈钢反应釜)2019年7月12日讯  酰氯与醇之间发生的酯化反应是一类常见的、应用范围很广的反应。但传统的酯化反应进行无溶剂反应时,需要在少量催化剂存在的条件下才能较好的进行反应(如:三乙胺、吡啶、DMAP等碱或 LiClO4等路易斯酸作为催化剂)。在不使用催化剂的情况下,又存在着竞争性的形成卤代烃、底物普适性较差、原子经济性较差等问题。

为更高效、更可持续性的生产酯类化合物,根特大学的Christian V. Stevens教授课题组应用荷兰Chemtrix公司的 Labtrix微反应器和Kiloflow微通道反应器对该反应进行了研究与探讨。结果取得了令人欣喜的结果。相关成果发表在了《绿色化学》杂志上(Green Chem., 2012, 14, 2776–2779,Efficient and catalyst-free condensation of acid chlorides and alcohols using continuous flow)。

为了进行连续流的尝试,Christian V. Stevens教授设计了反应路线(图一),先选择了苯甲酰氯和甲醇两种液体反应物作为原料进行基准反应,在 Labtrix反应器(反应体积10μL)中进行了无溶剂反应。作者发现反应温度在50度以上时,反应开始进行,在反应温度达到80度时,能够得到一个较好的转化率。但由于甲醇的沸点仅为65度,且生成的HCl容易变为气体,为确保反应物均保持液相,该反应必须在负有被压的情况下进行。

经过一系列的优化,作者发现甲醇与苯甲酰氯在反应时间为300s,反应温度为80度,MeOH用量为1.3当量的条件下可以完全转化为苯甲酸甲酯,在接液5.6 h之后,将多余的甲醇旋干除去,得到苯甲酸甲酯的收率为90%。在此基础上,作者尝试过进一步缩短反应时间以及降低甲醇的用量,但缩短反应时间,苯甲酰氯一直都有微量剩余;降低甲醇的用量上,作者通过提高反应温度,在反应时间为300s,反应温度为100度,MeOH用量为1.1当量的条件下,能得到99%的转化率。

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图一:Christian V. Stevens教授设计的反应路线

对苯甲酰氯与乙醇的反应、及苯甲酰氯与异丙醇的反应,均体现出了类似的现象(表一),反应基本可以达到定量,并在达到定量后可以通过进一步提升温度来降低醇类的使用量。

表1:苯甲酰氯与MeOH、EtOH或iPrOH的酯化反应的条件优化

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之后作者对反应底物进行了进一步探索(表2)。探索了固体酰氯与醇类之间的反应以及固体醇与酰氯之间的反应,固体醇与固体酰氯之间的反应。对固体酰氯(对溴苯甲酰氯)与甲醇之间的反应,作者探索了不同浓度的酰氯的1,4-二氧六环、二氯甲烷、乙腈溶液对反应的影响,高浓度(4M)的二氧六环溶液和高浓度(5M)的二氯甲烷溶液由于浓度过大,在反应过程中均会堵塞芯片反应器,而浓度稍低一点点(3.4M)的乙腈溶液虽然不会在反应过程中产生堵塞,但反映效果很差,即使将甲醇用量增至3个当量,也仅有5%的转化率。作者还通过降低酰氯浓度(0.5 M)以达到增强混合的效果,结果也仅有10%转化率。在固体醇(对甲苯酚)与苯甲酰氯、与丁酰氯、与固体酰氯(对溴苯甲酰氯)之间的反应中,作者通过提升反应温度、延长反应时间、增加醇的用量、溶剂的筛选。均能得到较为可观的转化率。

表2:底物普适性探究  

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之后,作者尝试通过chemtrix公司KiloFlow® 微反应器(反应体13.8 mL),对该反应进行了放大研究,刚开始时,最优条件在KiloFlow® 微反应器上能够以98%的收率,约合2.2 g/min的效率合成苯甲酸甲酯。在反应器反应4 h后(表3),该反应器能以86-87%的收率稳定的获得苯甲酸甲酯,另外该反应的后处理异常简单:通过氮气流将反应产生的HCl带出回收利用,再将过量的甲醇旋干回收利用。综上,该反应放大后非常适合进一步放大规模工业化生产。

表3苯甲酰氯与甲醇在放大的反应过程中的收率及转化率

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实验结论:

1. 作者通过微反应器技术对酰氯酯化这一常规反应进行了探索,开发出了无催化剂连续流工艺,为现有的酰氯的酯化反应提供了一种新型的、绿色的替代方法。

2. 作者在该微反应器中进行放大反应,反应的产率为2.2 g /min,分离收率高达98%,同时能够回收生成的盐酸,使该工艺具有较大的工业应用价值。

3. 作者所使用的两个微反应器KiloFlow® 微反应器及labtrix微反应器均为chemtrix公司所生产的已经商业化的反应器,具备很好的规范性和通用性。

参考文献:

DOI: 10.1039/c2gc35555h

Frederik E. A. Van Waes,a J. Drabowicz,b A. Cukalovica and Christian V. Stevens*a,Efficient and catalyst-free condensation of acid chlorides and alcohols using continuous flow,Green Chem., 2012, 14, 2776–2779


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