Utilização de reatores de Microtubo de parada-fluxo para o desenvolvimento de transformações orgânicas

Chemistry

Your institution must subscribe to JoVE's Chemistry section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Um protocolo para a seleção de reação orgânica usando stop-fluxo microtubo (SFMT) reatores empregando reagentes gasosos e/ou luz visível mediada reações é apresentado.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Toh, R. W., Li, J. S., Wu, J. Utilization of Stop-flow Micro-tubing Reactors for the Development of Organic Transformations. J. Vis. Exp. (131), e56897, doi:10.3791/56897 (2018).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Uma reação nova tecnologia para a síntese orgânica de triagem foi demonstrada recentemente, combinando elementos de microfluxo contínuo e reatores convencionais lote, cunhou reactores de (SFMT) de microtubo de parada-fluxo. Em SFMT, reações químicas que necessitam de alta pressão podem ser rastreadas em paralelo através de um caminho mais seguro e conveniente. Contaminação cruzada, que é um problema comum na reação de triagem para reatores de fluxo contínuo, é evitada em SFMT. Além disso, o microtubo de luz-permeável comercialmente disponível pode ser incorporado SFMT, servindo como uma excelente escolha para as reações mediadas por luz devido a uma exposição a luz uniforme mais eficaz, em comparação com reatores em batelada. Globalmente, o sistema de reator SFMT é semelhante a reatores de fluxo contínuo e mais superior do que reatores em batelada para reações que incorporam os reagentes gás e/ou exigem luz-iluminação, que permite que uma reação simples, mas altamente eficiente sistema de triagem. Além disso, qualquer reação desenvolvida com sucesso no sistema de reator SFMT pode ser convenientemente traduzida para síntese de fluxo contínuo para a produção em larga escala.

Introduction

Química de fluxo é bem preparada para o movimento de processos verdes e sustentáveis1,2. Em contraste com reatores em batelada, reatores de fluxo contínuo possuem vantagens significativas, como melhor gestão térmica, controle de mistura reforçada e regulação da pressão interna. Estas vantagens reduzem a formação de subprodutos no sistema de fluxo contínuo. Além disso, fluxo contínuo aumenta as reações de gás-líquido bifásico dentro do microtubo devido a excelente área de superfície interfacial dos reagentes em Estados diferentes. Reatores de fluxo contínuo, também, fornecer uma boa plataforma para a fotossíntese devido a iluminação reforçada e uniforme através do microtubo3.

Apesar do sucesso em tecnologia de fluxo contínuo, ainda existem limitações na triagem de reação para parâmetros que envolvam catalisadores, solventes e reagentes2. As alterações feitas à pressão no sistema de fluxo afetará drasticamente o equilíbrio do fluxo. Além disso, um sistema de fluxo contínuo clássico geralmente é limitado a uma reação de rastreio de cada vez, tornando-o demorado para rastreio de reação paralela eficiente. O tempo de reação, na síntese de fluxo contínuo também é limitado pelo seu tamanho microtubo reator. Além disso, triagem de fluxo contínuo é propensa a contaminação a temperatura mais elevada, mesmo que o suporte informático é empregado entre diferentes reações4.

Portanto, para resolver a dificuldade de triagem discretos parâmetros em sistemas de fluxo contínuo, desenvolvemos um sistema de reator para-fluxo microtubo (SFMT) para rastreio de reação que envolve reagentes gasosos e/ou reações mediadas por foto2. Reatores SFMT compreendem elementos de ambos os reatores em batelada e reatores de fluxo contínuo. A introdução de válvulas shut-off retém os reagentes dentro do microtubo, um conceito que é semelhante a um reactor de lote, e quando o sistema é pressurizado, o SFMT se comporta como um reator de alta pressão em miniatura. O SFMT pode então ser submersa em um banho de água ou óleo, introdução de calor para o sistema de reator. Luzes visíveis podem ser também brilhou ao microtubo durante o período de reação para facilitar reações mediadas por foto.

Em SFMT, gases tóxicos ou inflamáveis, tais como etileno, acetileno e monóxido de carbono, podem ser utilizados para gerar valiosos produtos químicos de forma segura em relação ao lote reatores1,2,4. É um trunfo para usar esses gases reativos que são matérias-primas químicas baratos e pode ser facilmente removidos após reações concluídas, proporcionando uma limpeza procedimento2. Pelo contrário, o desenvolvimento de reação mais realizado em reatores em batelada tende a excluir a utilização de gases reativos, devido a sua inconveniência e risco de explosão em elevada pressão e temperatura. Se os reagentes gasosos são empregados, geralmente são introduzidos em reatores em batelada através do borbulhamento ou balões. Isto geralmente deu baixa reprodutibilidade ou reatividade devido a baixa eficiência de mistura na interface. Apesar de vasos de alta pressão são comumente aplicados para aumentar a reatividade e solubilidade de gases, são trabalhosas, com risco de explosão, especialmente com gases inflamáveis. Além disso, a superfície opaca daqueles comumente usados em reatores de alta pressão tornou inadequado para reações mediadas por foto. Portanto, reações que consistem em reagentes gasosos e reações mediadas por foto geralmente são deixadas inexploradas. Neste contexto, reatores SFMT fornecem uma plataforma ideal porque os reagentes gasosos podem ser utilizados dentro do microtubo com o auxílio de um regulador de pressão de retorno (BPR) para regular a pressão interna em uma maneira segura e conveniente2. Além de reações que envolvem reagentes gasosos, luz visível de síntese promovido também exibe grandes promessas para síntese orgânica5,6. No entanto, dentre a maior queda de reações mediadas de luz visível é a escalabilidade em reatores convencionais lote devido ao efeito de atenuação do transporte de fótons em grandes vasos de7. Se forem utilizadas fontes de luz de alta potência, irradiação excessiva pode resultar na formação de subproduto. Além disso, os reagentes gasosos raramente foram aplicados em reações foto-químicas principalmente devido ao sistema complexo aparelho quando utilizar reagentes de fase de gás em alta pressão2. Através da introdução de um canal estreito, como SFMT, um ambiente de gás de alta pressão pode ser facilmente alcançado sob irradiação de luz.

Portanto, este detalhado vídeo visa ajudar mais os cientistas a entender as vantagens e o procedimento de usar SFMT para rastreio de condição de gás envolvendo transformações e reações mediadas por luz.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Referem-se a todas as folhas de dados relevantes de segurança material (MSDS) antes de manusear qualquer possíveis produtos químicos tóxicos e cancerígenos. Realizar avaliações de risco adequado antes de iniciar quaisquer reacções, incluindo o uso de controles, tais como exaustores de fumos e cilindros de gás, bem como usar equipamentos de proteção individual suficiente de engenharia. Formação adequada deve efectuar-se antes de usar qualquer gás altamente inflamável para evitar acidentes causados por mau uso dos cilindros de gás.

1. gás-envolveu a reação2

  1. Preparação do acetileno
    Regulador de gás conjunto de acetileno para 20 libras por polegada quadrada (137895 Pa), acima da pressão desejada de 5 psi (34474 Pa) usado no sistema.
    Nota: Consulte a Figura 1 , em mais detalhes do regulador de gás configurar.
    Nota: Regulador de pressão (BPR) situa-se na extremidade da tubulação, consulte a Figura 2 e 3 para mais detalhes sobre a configuração SFMT.
  2. Preparação da solução de 4-iodoanisole
    1. Adicione uma barra de agitação magnética de 10 mm em um balão de fundo redondo de 10 mL.
    2. Medir 58,5 mg 4-iodoanisole com uma balança de pesagem e transferir para o balão de fundo redondo.
      Atenção: Haletos de arila são irritantes e podem ser prejudiciais. Consulte os MSDSs relevantes antes de prosseguir.
    3. Adicione 8,5 mg Pd (PPh3)2Cl2, iodeto de cobre 1,0 mg, 21,0 mg 1, 3, 5-trimethoxybenzene (padrão interno) e 80 µ l N, N-Diisopropylethylamine (DIPEA) para o mesmo balão de fundo redondo. Adicione aproximadamente 2,5 mL de Dimetilsulfóxido (DMSO) no balão de fundo redondo.
      Atenção: PD (PPh3)2Cl2, iodeto de cobre, DIPEA são irritantes e podem ser prejudiciais. Consulte os MSDSs relevantes antes de prosseguir.
      Cuidado: 1, 3, 5-trimethoxybenzene são inflamáveis e voláteis. Mantenha longe de fontes de ignição.
      Atenção: DMSO é um produto químico tóxico. Consulte os MSDSs relevantes antes de prosseguir.
    4. Selar o balão de fundo redondo com um septo de borracha e mistura foi mexer num prato de calor à temperatura e pressão, até que todo o sólido dissolvido.
      Nota: Sonication mais pode ser feito para garantir uma solução homogénea.
    5. Desgaseifica a mistura de reação com o balão cheio de argônio por aproximadamente 15 min, mantendo uma agitação na placa de calor constante. Retire as duas agulhas após 15 min para garantir um ambiente inerte dentro do balão de fundo redondo.
      Nota: Consulte a Figura 4 para detalhes sobre desgaseificar procedimento.
  3. Mistura da camada de gás-líquido em reator SFMT
    1. Extrai toda a mistura reacional do balão de fundo redondo com uma seringa de aço inoxidável de 8 mL conectada a uma agulha longa através de um conector de agulha através do septo de borracha. Retire a agulha e conecte a seringa de aço inoxidável para a bomba de seringa. Conecte a seringa de alcanos de Perfluoroalkoxy de alta pureza (HPFA) tubulação (OD 1/16", identificação 0,03", 300 cm, volume = 1,37 mL) através de um conector em T.
      Nota: Use um conector de agulha para conectar ambos o aço inoxidável e tempo da agulha, consulte a Figura 5 para mais detalhes sobre como usar o conector da agulha.
      Nota: Todas as bolhas de ar devem ser removida da seringa aço inoxidável antes de fixar a bomba de seringa.
      Nota: Certifique-se de que todos os tubos estão apertar antes de conectar a mistura de reação para o set-up para reduzir a exposição do ar, consulte a Figura 2 e 3 nas ligações para a tubulação.
    2. Definir taxa de fluxo da bomba de seringa para 300 µ l/min para a mistura de reação a ser bombeado para dentro do tubo HPFA. Ajustar a taxa de fluxo de acetileno com a válvula de agulha para cerca proporção 1:1: gás líquido junto as fichas. Relação equilibrada foi mantida até que a tubagem HPFA é preenchida com os reagentes de lesma de gás/líquido.
      Atenção: Acetileno é altamente inflamável. Mantenha longe de fontes de ignição.
      Nota: BPR é colocado no frasco de acetona antes de limpar o tubo com gás acetileno.
      Nota: Purge o tubo com gás acetileno primeiro até bolha é observada no frasco de acetona para o BPR assegurar que a pressão é construída dentro do reator SFMT antes de bombear a mistura de reação para o reator SFMT. Consulte a Figura 6 para a melhor ilustração da relação líquido: gás.
    3. Feche a válvula no final quando todo o líquido tinha sido injetado a tubagem HPFA ou quando o líquido começar a vazar do BPR. Bomba no acetileno mais até que o líquido para de se mover na tubulação de forma a manter a pressão dentro do tubo. Feche a válvula no ponto de início e feche a válvula de agulha, uma vez concluído. Transferir todo o set-up para o banho de óleo e incubar durante 2 horas.
      Nota: As válvulas são mantidas acima o banho de óleo para evitar a contaminação do óleo do silicone.
      Nota: Pré-aquece o banho de óleo à temperatura desejada antes de transferir o reator SFMT para isso.
    4. Depois de 1 hora, bomba a mistura de reação para um frasco de 10 mL, utilizando uma seringa de aço inoxidável de 8 mL. Encha uma seringa de aço inoxidável de 8 mL éter dietílico (aproximadamente 4,0 mL) para lavar qualquer resíduo na tubulação.
      Atenção: Éter etílico é altamente inflamável. Mantenha longe de fontes de ignição.
      Nota: Hexano poderia ser usado para lavar o óleo de silicone, antes de prosseguir para evitar a contaminação para as etapas subsequentes.
    5. Saturada de NH4Cl solução aquosa (4,0 mL) foi adicionado à camada orgânica combinada, seguida por uma extração líquido-líquido com éter dietílico de 1,5 mL, com o auxílio de um funil de separação.
      Atenção: NH4Cl pode ser prejudicial. Consulte os MSDSs relevantes antes de prosseguir.
    6. Conduzir uma análise de espectro de massa (GC-MS) de cromatografia de gás com a camada orgânica para determinar o rendimento.
      Nota: 1, 3, 5-trimethoxybenzene foi adicionado na etapa 1.2.3 como padrão interno.
      Nota: Uma curva de calibração padrão interno foi enredo com massa diferente do produto para derivar uma curva de regressão linear. O rendimento do produto é interpolado a partir da curva de regressão linear. Consulte ref. 2 para mais detalhes sobre a curva de calibração.

2.Reação mediada por foto5

  1. Adicione benzylidenemalonitrile 30,8 mg, perclorato de mesitila-metilacridínio-10-9 4,1 mg, 67,3 mg tetramethylethylene e dicloroetano 2,0 mL em um frasco de septos de silício de 10 mL.
    Atenção: Benzylidenemalonitrile, perclorato de mesitila-metilacridínio-10-9, tetramethylethylene e dicloroetano são altamente inflamáveis. Mantenha longe de fontes de ignição.
  2. Degas para cerca de 15 minutos com o balão cheio de argônio. Retire as duas agulhas após 15 min para garantir um ambiente inerte dentro do frasco.
    Nota: Consulte a Figura 4 para detalhes sobre desgaseificar procedimento.
  3. Limpar a tubulação HPFA (OD 1/16", identificação 0,03", 340 cm, volume = 1,5 mL) com gás argônio para cerca de 5 min de conexão direta do reator SFMT para o cilindro de gás argônio com uma União corpo PEEK. Feche ambas as válvulas para incriminar o gás de argônio dentro da tubulação HPFA depois de atingir o indicando tempo de 5 min.
    Nota: Consulte a Figura 5 para mais detalhes sobre como usar o corpo da União PEEK.
  4. Com uma seringa descartável 3ml anexada com uma agulha longa, extrai a mistura reacional do frasco de 10 mL do silicone septos. Retire a agulha e conecte a seringa descartável de tubulação HPFA através de um conector de seringa. Abra as duas válvulas para bombear manualmente na mistura reacional. Feche ambas as válvulas novamente, uma vez que a tubagem HPFA foi preenchida com a mistura de reação.
    Nota: Consulte a Figura 5 para mais detalhes sobre como usar o conector de seringa.
    Nota: A mistura de reação se mistura com a seringa para garantir uma solução homogênea antes de bombeamento para o tubo HPFA.
    Nota: Pode haver excesso solvente que irá exceder o volume de tubos. Lugar ao fim de tubulação na perda pode para coletar qualquer mistura de reação transbordou.
  5. Coloque o reator SFMT no meio o LED azul (λmáx = 425 nm, 2 m, 20 W) listra para garantir igual exposição da tubulação HPFA. A HPFA foi exposta pela irradiação por aproximadamente 5-48 horas.
    Nota: O comprimento da faixa de LED azul é definido como 2 metros para fornecer energia suficiente para a reação prosseguir.
  6. Bombear a mistura reacional com seringa descartável de 3 mL para um balão de fundo redondo limpo com um pedaço de conector de seringa . Lave todo o resíduo com excesso de éter dietílico usando uma seringa descartável de 3 mL para o balão de fundo redondo mesmo.
    Nota: Consulte a Figura 5 para mais detalhes sobre como usar o conector de seringa.
  7. Medida 0,06 mmol de 1, 3, 5-trimethoxybenzene (padrão interno) e adicione à mistura orgânica combinada. Remova o solvente em excesso sob pressão reduzida com uma máquina de rotavap.
  8. Meça 0,6 mL de clorofórmio deuterado com seringa descartável 1 mL anexada com agulha longa e adicionar ao produto bruto concentrado. Transfira a mistura deuterada num tubo NMR limpo para bruto 1análise H NMR.
    Nota: A integral de (x) para o padrão interno a 6,10 ppm é usada para calcular a taxa de conversão, comparando a integral (y) do produto formado em 3,38 ppm.
    Equation 1

3. foto mediada por reação envolvendo gás2

  1. Preparação do acetileno
    Posicionar o regulador de gás do tanque acetileno a cerca de 20 psi (137895 Pa) que está acima da pressão desejada de 5 psi (34474 Pa) no sistema.
    Nota: Consulte a Figura 1 , em mais detalhes do regulador de gás configurar.
    Nota: Regulador de pressão (BPR) situa-se na extremidade da tubulação, consulte a Figura 2 e 3 para mais detalhes sobre a configuração SFMT.
  2. Preparação da solução de bromopentafluorobenzene
    1. Sob atmosfera inerte, adicionar 74,1 mg bromopentafluorobenzene, 2,8 mg Ir(ppy)2(dtbbpy) PF6 e 46,8 mg 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-yl) Oxil (TEMPO) em um septos de silício de 10 mL. Adicione 3,0 mL de acetonitrilo dentro do mesmo frasco de vidro de 10 mL para dissolver todos os reagentes.
      Atenção: Bromopentafluorobenzene e acetonitrilo são altamente inflamáveis e voláteis. Mantenha longe de fontes de ignição.
      Atenção: Ir(ppy)2(dtbbpy) PF6 e o andamento podem ser prejudicial. Consulte os MSDSs relevantes antes de prosseguir.
    2. Desgaseifica a mistura de reação com o balão cheio de argônio cuidadosamente por 10 minutos em um banho de gelo. Retire as duas agulhas os septos para garantir uma atmosfera inerte no frasco.
      Nota: Consulte a Figura 4 para detalhes sobre desgaseificar procedimento.
    3. Adicione 56.0 µ l de DIPEA na mistura com uma seringa de 1 mL e desgaseificar por mais 5 minutos em um banho de gelo, semelhante ao passo 3.2.2.
  3. Mistura da camada de gás-líquido em reator SFMT
    1. Com uma seringa de aço inoxidável de 8 mL anexada com uma agulha longa através de um conector de agulha, extrai a mistura reacional do frasco de septos de silício. Retire a agulha e aplique a seringa para a bomba de seringa. Conecte a saída T-conector.
      Nota: Use um conector de agulha para conectar ambos o aço inoxidável e tempo da agulha, consulte a Figura 5 para mais detalhes sobre como usar o conector da agulha.
      Nota: Todos os gases devem ser remover a seringa de aço inoxidável antes de fixar a bomba de seringa.
      Nota: Certifique-se de que todos os tubos estão apertar antes de conectar a mistura de reação para o set-up para reduzir a exposição do gás, consulte a Figura 2 e 3 nas ligações para a tubulação.
    2. Definir a taxa de fluxo dos aparelhos o fluxo para 100 µ l/min e bombear a mistura de reação para o tubo HPFA (OD 1/16", identificação 0,03", 300 cm, volume = 1,37 mL). Ajuste a taxa de fluxo de acetileno com a válvula de agulha até a proporção de 2:1. o gás/líquido é observada na ficha.
Os plugues de relação foi determinar através de estimativa na tubulação de clara.
Nota: BPR é colocado no frasco de acetona antes de limpar o tubo com gás acetileno.
Nota: Purge o tubo com gás acetileno primeiro até bolha é observada no frasco de acetona para o BPR assegurar que a pressão é construída dentro do reator SFMT antes de bombear a mistura reacional para o reator SFMT.
Nota: Consulte a Figura 6 para a melhor ilustração da relação líquido: gás mas tome nota que o volume do gás deve ser o dobro do volume do líquido na ficha por estimativa visual.
  • Fechar a válvula no final quando todo o líquido tinha sido injetado no reator SFMT (volume total 0,65 ml, 0,065 mmol) ou quando o líquido começou a vaze o BPR. Bomba no acetileno mais até à paragem de líquidos em movimento na tubulação. Feche a válvula no ponto de início e feche a válvula de agulha depois de feito. Transferência a afinação inteira para um banho de água pré-aquecida até 60 ° C e se para reagir durante 3 h sob luz de LED azul (λmáx = 425 nm, 3M, 30 W).
    Nota: As válvulas são deixadas acima o banho de água para evitar qualquer contaminação.
    Nota: O comprimento da faixa LED azul situa-se a 3 metros, para fornecer energia suficiente para a reação prosseguir.
  • Bombear a mistura de reação da tubagem HPFA com uma seringa de aço inoxidável de 8 mL para um balão de fundo redondo. Lave os resíduos do reator de tubulação com excesso de éter dietílico para o balão de fundo redondo mesmo. Concentre-se a mistura sob pressão reduzida com uma máquina de rotavap.
    Nota: Cuidadosamente, reduzir a pressão como matérias-primas e produtos são altamente voláteis.
  • Adicione 0,6 mL de clorofórmio deuterado através de uma seringa descartável 1 mL para o balão de fundo redondo para dissolver a mistura concentrada de bruta. Transfira a mistura deuterada para um tubo NMR para 19análise F NMR.
    Nota: Os espectros de RMN F 19de matérias-primas (bromopentafluorobenzene) e os 2 produtos em (2, 3, 4, 5, 6-Pentafluorostyrene e pentafluorobenzene) foram analisadas para encontrar um pico significativo para cada produto químico. O espectro de RMN de F bruto 19é usado para comparar a integral desses 3 picos significativos para determinar a proporção do produto formado. Consulte ref. 2 para mais detalhes sobre o cálculo de conversão de produto e relação do produto.
  • Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Representative Results

    Neste estudo, SFMT é usado para realizar transformações que incluem reagentes gasosos (tabela 1), reações mediadas por luz (tabela 2) e reações que envolve ambos os reagentes gasosos e foto-catálise (tabela 3).

    Figura 1 mostra uma configuração típica para regulador de gás ser conectado ao cilindro de gás, de modo a regular a pressão do gás a ser bombeado para o sistema SFMT.

    A Figura 2 representa a configuração do como reagentes estão sendo ligados para os reagentes ser bombeado para o sistema SFMT. O comprimento do tubo depende do volume total utilizado na reação, e podem ser garantidos por cabo gravata, como mostrado na Figura 2a ou garantidos por elástico e tubo de ensaio na Figura 2b.

    Nota: Para obter mais detalhes sobre a conectividade dos diversos equipamentos no sistema de fluxo, consulte este papel, 8 Ref.

    A Figura 3 ilustra o esquema esquemático de como um sistema SFMT em 2D para a melhor ilustração.

    A Figura 4 mostra uma típica afinação para desgaseificação de produtos químicos. Um balão é geralmente ligado a uma seringa descartável e presa com um elástico. O balão é purgado com gás argônio pelo menos três vezes antes de encher com gás argônio, e é anexado a uma agulha longa e totalmente submersa na parte inferior, como mostrado abaixo. Uma tomada também é inserida para permitir que o gás escapar, com bolhas visíveis durante o processo.

    Nota: Para obter mais detalhes sobre o processo de desgaseificação, consulte este site, Ref 9.

    Na Figura 5, mostrou várias partes do sistema de fluxo. Normalmente, o furrule e porca parte é a parte importante, anexada à extremidade do tubo (Figura 5a). Isto é para permitir que o tubo seja anexada a uma seringa através de um conector de seringa (Figura 5b) ou uma agulha (Figura 5C). Em alguns casos, para conectar dois tubos juntos, uma União corpo Peek pode ser usado, conforme mostrado na Figura 5a.

    Figura 5 d mostra uma válvula de agulha (à esquerda), que poderia ser usada para regular a taxa de fluxo do gás ou líquido entrando no sistema e um BPR (à direita), que ajuda a regular a pressão dentro do sistema.

    Figura 5e mostra um conector em T (à esquerda), que é usado para misturar dois reagentes (líquido ou gás) juntos para entrar no sistema. No meio e no lado direito da Figura 5e exibem a válvula na posição aberta e próxima, respectivamente. No estado aberto, os reagentes podem entrar no sistema, enquanto posição fechada impede que o produto químico de entrar ou sair do sistema.

    A Figura 6 mostra a proporção de 1:1 na ficha que pode ser ajustada em conformidade com a válvula de agulha para a quantidade de gás entrando no sistema. Manter que um equilíbrio é importante para garantir que não haja é bastante gás acetileno na tubulação de para a reação prosseguir.

    A tabela 1 ilustra os dados de otimização para Sonogashira acoplamento com gás acetileno. Várias condições, tais como solventes, catalisadores de paládio e temperaturas são testadas com gás acetileno e 4-iodoanisole em SFMT. A condição ideal em SFMT é mostrada na entrada de 10. A reação foi repetida em um reator de lote, conforme mostrado na entrada 11, no entanto, a conversão e a seletividade foram significativamente menores do que nos reatores SFMT. O rendimento destas reações foram determinados por análise de GC, usando 1, 3, 5-trimethoxybenzene como padrão interno.

    A tabela 2 mostra a alquilação de tetramethylethylene (2a) e benzylidenemalonitrile (2b) através da ativação mediada por foto de um catalisador orgânico. A reação foi realizada em lote e em reatores SFMT durante a otimização e o rendimento são semelhantes. No entanto, um tempo mais curto é necessário nos reatores SFMT. Os rendimentos destas reações foram determinados por 1análise H NMR com 1, 3, 5-trimethoxybenzene como padrão interno.

    A tabela 3 demonstra uma reação mediada por foto de gás que usa acetileno como uma matéria-prima para produzir compostos fluorados estireno. Comparação foi realizada em lote e em reatores SFMT, onde o gás acetileno foi borbulhava em solvente usando um balão na antiga. O rendimento do produto e a seletividade foram determinadas por 19análise F-NMR da mistura de reação bruto.

    Figure 1
    Figura 1 : Instalação de regulador de gás com cilindro de gás. Um regulador de gás é anexado para o cilindro de gás para regular a bomba de pressão de gás no reator SFMT. O manômetro de alta pressão (caixa verde) é ajustado, anexando uma chave à parte (caixa preta), girando no sentido horário ou anti-horário. O calibre de pressão baixo (caixa azul) é regulado pela válvula da torneira (caixa amarela). O prendedor (laranja) é ligada para evitar qualquer chama entra no cilindro de gás para fins de segurança. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

    Figure 2
    Figura 2 : Set-up para o reator SFMT. [2a] reagentes líquidos são normalmente bombeados para o sistema através da bomba de seringa. O BPR é geralmente anexado ao final e inserido em um frasco de vidro cheio de acetona para assegurar que a pressão do gás é suficiente na tubulação (caixa amarela). Esta é a ficha na configuração para observar que o líquido e gás é de 1:1 ou razão 1:2 (caixa azul) regulando a válvula de agulha conectada ao cilindro de gás (caixa preta). [2b] tubo é fixado um tubo de ensaio ou frasco conectado à torneira.Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

    Nota: O final na Figura 2a é geralmente ligado a um cilindro de gás, regulamentado por um regulador de gás.

    Figure 3
    Figura 3 : Regime esquemático para a conectividade de uma configuração de SFMT. Uma instalação básica do SFMT geralmente consiste de duas válvulas-fechada, tubo de reação, um BPR e bomba de seringa. Adaptado com permissão de ref. 2. Copyright (2017) sociedade real de química. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

    Figure 4
    Figura 4 : Set-up Degas. Um balão é anexado com uma agulha longa para borbulhar o solvente para desgaseificação. Esta agulha longa é inserida dentro do frasco até a ponta toca fundo. Uma pequena agulha é inserida o headspace, e a ponta não toca o solvente. Isto serve como uma saída para permitir que os gases de escape.

    Figure 5
    Figura 5 : Diferentes partes necessárias para o sistema SFMT. [5a] Furrule e porca parte (à esquerda) e da União corpo PEEK (à direita), conector de seringa [5b], [5C] conector de agulha, válvula de agulha [5D] (à esquerda), regulador de pressão de retorno (BPR) (à direita), [5e] T-conector (à esquerda), desligar a válvula na posição aberta (médio) e válvula de corte em posição fechada (à direita).

    Figure 6
    Figura 6 : 1:1 relação de líquido: gás em tubulação plug. Na caixa amarela, figura um exemplo de como ajustar a proporção de gás líquido: 1:1 com a válvula de corte.

    Image 1
    Entrada[i] PD-gato Solvente T [° C] Rendimento de 1b [%][ii] Rendimento de 1 c [%][ii]
    1 PD (PPh3)2Cl2 DMSO 100 73 3
    2 PD (PPh3)2Cl2 DMF 100 20 < 1
    3 PD (PPh3)2Cl2 NMP 100 < 1 < 1
    4 PD (PPh3)4 DMSO 100 73 3
    5 PD (dppf) Cl2 DMSO 100 56 2
    6[iii] PD (PPh3)2Cl2 DMSO 100 24 < 1
    7 PD (PPh3)2Cl2 DMSO 60 80 4
    8 PD (PPh3)2Cl2 DMSO 40 87 2
    9 PD (PPh3)2Cl2 DMSO RT 78 3
    noiv 10[] PD (PPh3)2Cl2 DMSO RT 96 4
    11[v] PD (PPh3)2Cl2 DMSO RT 45 14

    Tabela 1: otimização de 4-iodoanisole com gás acetileno. [i] as reações foram realizadas com 1a a 0,1 M. [ii] os rendimentos das reações foi determinada utilizando o 1, 3, 5-trimethoxybenzene como padrão interno na análise de GC. [iii] a reação foi realizada com 1 mol % Pd (PPh3)2Cl2. [iv] a reação foi conduzida por 2 horas antes da têmpera. [v] reação foi realizada em um reator de lote no qual o gás foi introduzido por bolhas de gás acetileno. Adaptado com permissão de ref. 2. Copyright (2017) sociedade real de química.

    Image 2
    Entrada Reator T [h] Rendimento de 2C [%][i]
    1 Lote 18 91
    2 SFMT 5 90

    Tabela 2: transformação de tetramethylethylene (2a) e benzylidenemalonitrile (2b) sob condições mediada por foto. [i] rendimentos foram determinados utilizando 1, 3, 5-trimethoxybenzene como padrão interno em 1análise de espectros de RMN de H. Adaptado com permissão da ref. 5. Copyright (2017) sociedade real de química.

    Image 3
    Entrada Reator Conversão [%][i] 3B: 3c
    1 Lote < 5 -
    2[ii] SFMT 97 3.6: 1

    Tabela 3: utilização de gás acetileno, como matéria-prima para catálise redox-foto. [i] o rendimento do produto e a seletividade foram determinadas por 19análise F-NMR da mistura de reação bruto.[ii] a reação foi realizada com rRegulator de pressão de 20 PSI (BPR). Adaptado com permissão de ref. 2. Copyright (2017) sociedade real de química.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Discussion

    O reator SFMT recentemente desenvolvido é uma modificação do sistema de fluxo contínuo adicionando válvulas shut-off do microtubo2. Neste sistema, a taxa de fluxo de um volume desejado de reagentes pode ser interrompida à vontade, simulando um reator de lote, mas em microtubo2,10,11. Estas válvulas ajudam na caça com armadilhas da quantidade desejada de reagentes na tubulação de HPFA ou aço inoxidável, mantendo a pressão no interior, semelhante a um vaso de alta pressão. Este sistema conveniente é capaz de rastreio várias condições de reação, definindo várias SFMTs em paralelo, reduzindo o tempo necessário em comparação com o sistema de fluxo contínuo.

    A reatividade e a seletividade de 4-iodoanisole foram investigados em lote e reator SFMT (tabela 1). Baixa seletividade entre terminais e simétricas alcinos internos foi observada em reatores em batelada convencional. Isto era provavelmente devido a pobre interação interfacial entre a mistura de líquido e gás acetileno. Reatores de fluxo contínuo também são ineficientes para otimização da seleção porque eles exigem um tempo de reação relativamente longo de 2 horas. Por outro lado, reatores SFMT fornecido uma grande plataforma para rastreio as reações propostas abaixo de 10 diferentes condições, em menos de 3 horas, que em principal podem levar mais de 20 horas em um reator de fluxo contínuo. Portanto, SFMT é uma escolha lógica para a seleção envolvendo gás transformações em relação ao lote e reatores de fluxo contínuo. Em SFMT, o reator proporciona maior área de superfície interfacial entre a fase gasosa e líquida, permitindo que as reações prosseguir com a melhor seletividade e reatividade do que reatores em batelada, como mostrado na entrada 10 e 11 na tabela 1.

    Da tabela 2, o necessário tempo de reação de alquilação promovido de luz visível foi reduzido de 18 horas a 5 horas, quando um reator SFMT foi utilizada5. Isto poderia ser explicado usando a lei de Bouguer-cerveja-Lambert, pelo qual a intensidade da luz é reduzida devido à dispersão ou absorção da luz pelas partículas em solução dentro do reator de lote7. Por outro lado, o SFMT permite uma dispersão homogénea aprimorada de luz para os reagentes dentro do microtubulação, que eventualmente, encurta o tempo necessário para a reação. Portanto, nossos resultados salientam que irradiação de luz foi muito melhorada em reatores SFMT, tornando a plataforma adequada para o desenvolvimento de reação mediada por luz.

    Ainda mais, a transformação na tabela 3 demonstra a utilidade de reatores SFMT quando a reação consiste em ambos os reagentes gasosos e um catalisador mediada por foto. Ao contrário de um balão cheio de acetileno, que dá pobre mistura interfacial entre as fases gasosas e líquidas, o SFMT melhora consideravelmente a solubilidade do gás acetileno como a pressão da tubulação interna foi aumentada com a ajuda de BPR1,2 . Na reação de vinylation, o acetileno tem uma solubilidade muito pobre em acetonitrila em 60oC no reator de lote, que é a condição ideal obtida em nossos reatores SFMT. Esta é provavelmente a razão porque < observou-se conversão de 5%. Este resultado evidencia a eficiência dos reatores SFMT para gás-envolvido luz-promoveu transformações, que permite transformações inacessíveis convencionais.

    Apesar da baixa eficiência de mistura em SFMT quando comparado com a agitação em reatores em batelada, os padrões de fluxo circular no fluxo de Taylor promovido contato interfacial gás/líquido eficiente, o que aumenta a reatividade e rendimento significativamente2, 12. Além disso, SFMT é uma técnica de tempo-eficiente que permite o rastreio paralelo de reações no qual cada reactor pode ser definida como uma pressão diferente e/ou temperatura2. A flexibilidade no uso de SFMT é definitivamente uma maneira ideal para testar novas reações para otimização ou descoberta. Como SFMT é uma versão modificada do sistema de reator de fluxo contínuo, é também mais fácil de traduzir para síntese de fluxo contínuo para fins de gama alta.

    Em conclusão, a SFMT é uma nova técnica que permite experimentos a ser realizado em diferentes temperaturas e pressões com ferramentas simples e microtubo. Matéria-prima barata e reativa como gás acetileno e gás etileno pode ser usado para a síntese de futuro em SFMTs, ampliando as possibilidades de seleção de reação no campo da química. Além disso, a eficiência do rastreio de reação é o impulso com a facilidade de rastreio de reações em paralelo.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Disclosures

    Os autores não têm nada para divulgar.

    Acknowledgments

    Agradecemos o apoio financeiro da Universidade Nacional de Cingapura (R-143-000-645-112, R-143-000-665-114) e GSK-EDB (R-143-000-687-592).

    Materials

    Name Company Catalog Number Comments
    Acetylene Cylinder Chem Gas PTE LTD (Singapore)
    Logato 200 series Syringe pumps KD Scientific Inc 788200
    Blue LED Strips Inwares Pte Ltd (Singapore) 3528 FlexiGlow LED Strips
    PFA Tubing High Purity 1/16" OD x .030" ID x 50ft IDEX Health&Science 1632-L Depending on diameter of tubings needed
    KDS Stainless Steel Syringe KD Scientific Inc 780802
    Shut-Off Valve Tefzel (ETFE) with 1/16" Fittings IDEX Health&Science P-782
    BPR Assembly 20 psi IDEX Health&Science P-791
    Luer Adapter Female Luer - Female Union IDEX Health&Science P-628 Known as syringe connector in this paper
    1/4-28 Female to Male Luer Assy IDEX Health&Science P-675 Known as needle connector in this paper
    Union Body PEEK .020 thru hole, for 1/16" OD" IDEX Health&Science P-702-01
    Super Flangeless Ferrule w/SST Ring, 1/4-28 Flat-Bottom, for 1/16" OD IDEX Health&Science P-250X
    PEEK Low Pressure Tee Assembly 1/16" PEEK .020 thru hole IDEX Health&Science P-712 Known as T-connector in this paper
    Super Flangeless Nut PEEK 1/4-28 Flat-Bottom, for 1/16" & 1/32" OD IDEX Health&Science P-255X
    Micro Metering Valve Assembly, 1/4-28 Flat-Bottom, for 1/16" OD IDEX Health&Science P-445NF Known as Needle valve in this paper
    Shut Off Valve Assembly PEEK .020 IDEX Health&Science P-732
    Terumo Syringe without needle Terumo medical 1 mL and 3 mL depending on the volume needed
    Terumo needle Terumo medical 22G X 1½”
    (0.70 X 38 mm)
    Sterican needle B | Braun Sharing Enterprise 21G X 4¾”
    (0.80 X 120 mm)
    Bruker ACF300 (300 MHz) For 300 MHz NMR scanning
    AV-III400 (400 MHZ) For 400 MHz NMR scanning
    AMX500 (500 MHz) For 500 MHz NMR scanning
    Merck 60 (0.040-0.063 mm) mesh silica gel Merck
    4-Iodoanisole Sigma Aldrich I7608-100G
    412740 ALDRICH
    Bis(triphenylphosphine)
    palladium(II) dichloride
    ≥99% trace metals basis
    Sigma Aldrich 412740-5G
    Copper(I) iodide
    purum, ≥99.5%
    Sigma Aldrich 03140-100G
    N,N-Diisopropylethylamine Tokyo Chemical Industry Co., Ltd D1599
    1, 3, 5-trimethoxybenzene Tokyo Chemical Industry Co., Ltd P0250
    2,3-Dimethyl-2-butene
    ≥99%
    Sigma Aldrich 220159-25ML
    Bromopentafluorobenzene
    99%
    Sigma Aldrich B75158-10G
    TEMPO Green Alternative
    98%
    Sigma Aldrich 214000-25G
    Acetonitrile Sigma Aldrich 271004-1L
    Diethylether Sigma Aldrich 346136-1L
    Dimethyl sulfoxide VWR chemical 23500.322- 25L
    1,2-Dichloroethane Sigma Aldrich 284505-1L
    9-mesityl-10-methylacridinium perchlorate Refer to Ref. 8 for synthesis
    Ir(ppy)2(dtbbpy)PF6 Refer to Ref. 9 for synthesis

    DOWNLOAD MATERIALS LIST

    References

    1. Mallia, C. J., Baxendale, I. R. The Use of Gases in Flow Synthesis. Organic Process Research & Development. 20, (2), 327-360 (2016).
    2. Xue, F., Deng, H., Xue, C., Mohamed, D. K. B., Tang, K. Y., Wu, J. Reaction discovery using acetylene gas as the chemical feedstock accelerated by the "stop-flow" micro-tubing reactor system. Chemical Science. 8, (5), 3623-3627 (2017).
    3. McTeague, T. A., Jamison, T. F. Photoredox Activation of SF6 for Fluorination. Angewandte Chemie International Edition. 55, (48), 15072-15075 (2016).
    4. Mohamed, D. K. B., Yu, X., Li, J., Wu, J. Reaction screening in continuous flow reactors. Tetrahedron Letters. 57, (36), 3965-3977 (2016).
    5. Zhou, R., Liu, H., Tao, H., Yu, X., Wu, J. Metal-free direct alkylation of unfunctionalized allylic/benzylic sp3 C-H bonds via photoredox induced radical cation deprotonation. Chemical Science. 8, (6), 4654-4659 (2017).
    6. Prier, C. K., Rankic, D. A., MacMillan, D. W. C. Visible Light Photoredox Catalysis with Transition Metal Complexes: Applications in Organic Synthesis. Chemical Reviews. 113, (7), 5322-5363 (2013).
    7. Cambié, D., Bottecchia, C., Straathof, N. J. W., Hessel, V., Noël, T. Applications of Continuous-Flow Photochemistry in Organic Synthesis, Material Science, and Water Treatment. Chemical Reviews. 116, (17), 10276-10341 (2016).
    8. Straathof, N. J. W., Su, Y., Hessel, V., Noel, T. Accelerated gas-liquid visible light photoredox catalysis with continuous-flow photochemical microreactors. Nat. Protocols. 11, (1), 10-21 (2016).
    9. Robards, K., Haddad, P. R., Jackson, P. E. High-performance Liquid Chromatography—Instrumentation and Techniques. Principles and Practice of Modern Chromatographic Methods. 5, 227-303 (1994).
    10. Linder, V., Sia, S. K., Whitesides, G. M. Reagent-Loaded Cartridges for Valveless and Automated Fluid Delivery in Microfluidic Devices. Analytical Chemistry. 77, (1), 64-71 (2005).
    11. Terao, K., Nishiyama, Y., Tanimoto, H., Morimoto, T., Oelgemöller, M., Morimoto, T. Diastereoselective [2+2] Photocycloaddition of a Chiral Cyclohexenone with Ethylene in a Continuous Flow Microcapillary Reactor. Journal of Flow Chemistry. 2, (3), 73-76 (2012).
    12. Qian, D., Lawal, A. Numerical study on gas and liquid slugs for Taylor flow in a T-junction microchannel. Chemical Engineering Science. 61, (23), 7609-7625 (2006).
    13. Hamilton, D. S., Nicewicz, D. A. Direct Catalytic Anti-Markovnikov Hydroetherification of Alkenols. Journal of the American Chemical Society. 134, (45), 18577-18580 (2012).
    14. Singh, A., Teegardin, K., Kelly, M., Prasad, K. S., Krishnan, S., Weaver, J. D. Facile synthesis and complete characterization of homoleptic and heteroleptic cyclometalated Iridium(III) complexes for photocatalysis. Journal of Organometallic Chemistry. 776, 51-59 (2015).

    Comments

    0 Comments


      Post a Question / Comment / Request

      You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

      Usage Statistics