【新方法】微波-連續(xù)流反應(yīng)器 - 合成烷基咪唑型離子液體

更新時間：2022-07-29 點擊次數(shù)：3275

背景介紹

微波輻照可將熱量快速傳遞給化學(xué)反應(yīng)，是加速高溫化學(xué)合成反應(yīng)的有力工具。但微波化學(xué)的發(fā)展一直受到缺乏專用的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備的阻礙。共振單模腔的出現(xiàn)為微波化學(xué)的“黃金時代"奠定了基礎(chǔ)。這些設(shè)備現(xiàn)在是大多數(shù)學(xué)術(shù)和工業(yè)實驗室的常規(guī)工具，但也存在一些挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)

法律允許的兆瓦頻段從根本上限制了腔體尺寸，阻礙可擴(kuò)展性；
隨著共振單模腔內(nèi)反應(yīng)的進(jìn)行，介電性能和共振頻率隨溫度和分子組成而變化。

解決方案

對共振單模腔設(shè)備的兩個難點，可由連續(xù)流動化學(xué)結(jié)合可調(diào)諧固態(tài)微波振蕩器（SSOs）來解決。

SSOs被稱為 “阻抗匹配" 或 “自動頻率調(diào)諧" （AFT），用于校正最佳微波頻率，確保吸收/反射微波功率的比率在微波反應(yīng)過程中達(dá)到最大。作為一種為通信開發(fā)的技術(shù)，SSOs精確地將所有輸入功率分配到微波頻率的窄帶，具有高度的控制和可調(diào)性。

下面小編將為大家介紹相關(guān)研究案例：烷基咪唑型離子液體制備中的應(yīng)用

案例介紹

離子液體的用途非常廣泛，但作為溶劑或電解質(zhì)的離子液體的使用受到價格或漫長制備過程的限制。比如基于咪唑的離子液體，需要幾天的回流反應(yīng)時間和更耗時的純化分離時長。

Westman首先觀察到烷基咪唑季銨化的微波加速反應(yīng)，可以在幾分鐘內(nèi)完成反應(yīng)，而不是常規(guī)加熱條件下的幾小時（或幾天）。

作者認(rèn)為，微波-連續(xù)流技術(shù)，特別是AFT-微波提供的控制和節(jié)能加熱的優(yōu)勢，可以為離子液體的合成提供通用、可放大生產(chǎn)的平臺。并報告了使用商業(yè)AFT-微波流動反應(yīng)器進(jìn)行咪唑鹽的研究和放大合成，該方法適用于多種前體，產(chǎn)品收率高達(dá)97%。

1. 工藝流程設(shè)計：

圖1. 離子液體的制備流程圖

2. 溫度對離子液體收率的影響

針對上圖離子液體的制備，作者首先研究了溫度控制模式，其中系統(tǒng)根據(jù)檢測到的出口溫度“在線"調(diào)整微波的功率。最小1.4 mL?1（RT=2.1分鐘），需要150°C才能達(dá)到*轉(zhuǎn)化率和97.5%的產(chǎn)率（Entry1-4) 。就再現(xiàn)性而言，該過程具有高度魯棒性（Entry 4 vs 9）。

圖2. 小試中溫度對離子液體收率的影響

流速較慢，停留時間較長（Entry 5?8）所得產(chǎn)品顏色有所加深顯色。且在較高的反應(yīng)溫度條件下，觀察到收率略有下降，這是由于反應(yīng)伴隨著副產(chǎn)物NMI氫溴酸鹽的競爭形成，且過高的溫度促進(jìn)了逆反應(yīng)。

3. 底物拓展

作者繼而拓展了該微波流動反應(yīng)器在該類反應(yīng)上的應(yīng)用底物范圍，可制備多種離子液體產(chǎn)物（如下圖）。

表3. 不同底物的拓展研究

4. 放大研究

研究者使用更大體積的螺旋管放大反應(yīng)，用足夠高的流速來防止液滴下沉，并減少反應(yīng)器管中央部分和出口傳感器之間的溫差和響應(yīng)延遲。這使得溫度控制模式運行穩(wěn)定，從而大大簡化了條件優(yōu)化。

在這里，使用HPLC泵泵送純試劑，并使用第三個泵泵送額外的乙腈流，以簡化設(shè)置（表7）。在150°C下連續(xù)運行可獲得600 g/h的生產(chǎn)率。

圖2. 工藝放大流程及運行結(jié)果

實驗總結(jié)

這種自動頻率調(diào)諧單模微波連續(xù)流反應(yīng)器是合成烷基咪唑鹽作為離子液體/離子液體前體的強大平臺，其近定量產(chǎn)率為100?600克/小時；
通過頻率調(diào)制、微波功率操作模式和調(diào)節(jié)流型解決了包括粘度變化、介電性能變化和反應(yīng)過程中的相分離的難題；
在低流速和CSTR型條件下，在輸入功率小于40 W的情況下，烷基咪唑鹽的產(chǎn)率高達(dá)97%；
初級烷基溴化物、碘化物、磺酸鹽和活性氯化物都適合以高產(chǎn)量和短停留時間（小于3分鐘）交付產(chǎn)品，但β-支鏈基團(tuán)的引入可能會降低產(chǎn)量；
在高流速和塞流式條件下，自動溫度控制模式提供了良好的控制，并以高產(chǎn)率獲得預(yù)取的產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)：Org. Process Res.July 11, 2022

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