康寧AFR實(shí)現(xiàn)SBF的連續(xù)綠色生產(chǎn)——黃維院士團(tuán)隊(duì)解令海教授課題組的產(chǎn)業(yè)化研究進(jìn)展

更新時(shí)間：2024-03-13 點(diǎn)擊次數(shù)：1682

南京郵電大學(xué)黃維院士、解令海教授團(tuán)隊(duì)早在2017年就已引入了康寧連續(xù)流微通道研發(fā)平臺(tái)，并在此平臺(tái)上做了大量科研探索。2021年，在南昌大學(xué)舉行的第七屆中國(guó)國(guó)際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽總決賽上，南京郵電大學(xué)“視界中國(guó)——打造國(guó)產(chǎn)一流柔性顯示材料”項(xiàng)目從228萬個(gè)項(xiàng)目中脫穎而出，以小組第1名的優(yōu)異成績(jī)獲得金獎(jiǎng)。

該項(xiàng)目采用康寧微通道反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了有機(jī)藍(lán)光的中間體材料和終端材料的公斤級(jí)量產(chǎn)，成功將72h、180℃的間歇生產(chǎn)改進(jìn)為反應(yīng)時(shí)間2min、100℃的連續(xù)流生產(chǎn)，產(chǎn)能10噸/年，生產(chǎn)成本降低了45%。

互聯(lián)網(wǎng)+，南郵大獲金獎(jiǎng)，這個(gè)項(xiàng)目出圈了！

下面讓我們一起看看黃維院士、解令海教授團(tuán)隊(duì)如何利用康寧微通道反應(yīng)器開展格式反應(yīng)研究吧。

研究背景

二芳基芴衍生物已在光電子領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，包括有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池、有機(jī)激光器、有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（OFET）和電存儲(chǔ)。

其中，SBF衍生物（圖1）具有獨(dú)特的對(duì)稱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出*的傳輸性能，適合商業(yè)應(yīng)用。

然而，因?yàn)殡y以在千克規(guī)模上合成中間體化合物9-芳基-芴-9-醇，SBF衍生物的實(shí)際應(yīng)用受到限制。

圖1. 常見高性能SBF衍生物的結(jié)構(gòu)

9-芳基-芴-9-醇的合成通過格氏反應(yīng)實(shí)現(xiàn)。然而，格氏反應(yīng)系統(tǒng)中溶劑、水分、溫度和其他因素的存在增加了由于控制不當(dāng)而發(fā)生生產(chǎn)安全事件的可能性。

圖2. 9-芳基芴-9-醇的間歇合成與連續(xù)流合成的比較

此外，用于合成9-芳基-芴-9-醇的分批反應(yīng)（圖 2a）具有放大效應(yīng)和較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間，導(dǎo)致安全系數(shù)低、工作量大和生產(chǎn)效率低。

黃維院士、解令海教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種高效、安全和環(huán)境可持續(xù)的連續(xù)流工藝，在環(huán)境友好的條件下大規(guī)模生產(chǎn)9-芳基芴-9-醇 (圖 2b)，該成果發(fā)表在2023年10月英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)2023綠色化學(xué)雜志上。

作者使用2-溴芴酮1a和苯基溴化鎂2a作為模型化合物來評(píng)估各種反應(yīng)參數(shù)，如溫度、濃度和停留時(shí)間（圖 3a）。

圖3. 9-芳基芴-9-醇的連續(xù)流格氏反應(yīng)

研究表明：

溫度效應(yīng)：連續(xù)流工藝在30~70°C下都提供了>99%的3a產(chǎn)率（圖 3b）；

濃度效應(yīng)：濃度從0.25M增加到0.4M，產(chǎn)率保持在>99%（圖 3c），最大限度地提高了溶劑的利用率，減少了 “三廢” 的排放。這歸因于康寧AFR（G1）的強(qiáng)大傳熱效應(yīng)，使放熱反應(yīng)能夠在更高的濃度下進(jìn)行；

停留時(shí)間：當(dāng)停留時(shí)間從48秒縮短到36秒時(shí)，產(chǎn)率仍可達(dá)到>99%，但24秒的產(chǎn)率僅為90%（圖 3d）；

從工業(yè)角度來看，9-芳基芴-9-醇的連續(xù)流合成方法大大降低了原料成本（35%）、固體廢物排放量（64%）和生產(chǎn)周期（86%），提高了生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了綠色生產(chǎn)（圖3e）。

隨后，作者在相同的溫度條件下進(jìn)行間歇對(duì)照實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，在15小時(shí)反應(yīng)時(shí)間后SI₃（a）的產(chǎn)率僅為45%，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間后也沒有改善。與之形成鮮明對(duì)比的是，在室溫下使用連續(xù)流反應(yīng)器僅36秒，就獲得了>99%的3a產(chǎn)率。

圖4.（a）格氏反應(yīng)的一個(gè)合理機(jī)制，（b）釜式和康寧AFR液相色譜（CPLC）產(chǎn)率圖（c）釜式和康寧AFR之間的總體積傳熱系數(shù)的比較

平推流無返混：格氏試劑本身的固有偶聯(lián)反應(yīng)是降低反應(yīng)產(chǎn)率的一個(gè)突出因素。與連續(xù)流條件相比，傳統(tǒng)間歇系統(tǒng)中返混合的存在增加了芳基格氏試劑的自偶聯(lián)。在反應(yīng)瓶中，1.2當(dāng)量格氏試劑的一部分與原料反應(yīng)，產(chǎn)生45%的產(chǎn)物4a，而剩余的55%發(fā)生了自偶聯(lián)反應(yīng)（圖4 a）。
高效傳質(zhì)：連續(xù)流的高傳質(zhì)特性有助于瞬時(shí)加入的格氏試劑與酮的快速有效混合，從而降低自耦趨勢(shì)。格氏反應(yīng)通常在幾秒鐘或幾毫秒內(nèi)發(fā)生，不充分的混合可能導(dǎo)致不期望的偶聯(lián)。有效混合和熱傳遞的結(jié)合進(jìn)一步促進(jìn)了更清潔的反應(yīng)，這從反應(yīng)混合物中的視覺對(duì)比中可以明顯看出（圖4b）。
高效換熱：連續(xù)流微通道反應(yīng)器表現(xiàn)出*的傳熱效果，反應(yīng)的放熱性質(zhì)允許在連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)中進(jìn)行室溫反應(yīng)。相比之下，間歇式反應(yīng)器中較差的傳熱效率需要提高溫度（60–70°C）才能將反應(yīng)產(chǎn)率提高到65%。
康寧反應(yīng)器優(yōu)勢(shì)：AFR-G1反應(yīng)器的傳熱效率超過250 mL圓底燒瓶的傳熱效率100多倍，超過1000 L傳統(tǒng)反應(yīng)釜的傳熱效率1700多倍（圖4c）。在連續(xù)流反應(yīng)器中使用微通道增加了反應(yīng)的比表面積，促進(jìn)了有效的分子接觸，最大限度地減少了返混，并最大限度地利用了格氏反應(yīng)釋放的熱量。

為了突出所開發(fā)的連續(xù)流生產(chǎn)工藝在綠色化學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步，作者使用3a作為模型化合物，計(jì)算并比較了在同等反應(yīng)條件下使用連續(xù)流和分批方法生產(chǎn)1公斤3a的各種綠色指標(biāo)（表 1）。

表1. 連續(xù)流和分批方法生產(chǎn)1公斤3a的各種綠色指標(biāo)

由于反應(yīng)方程保持不變，兩種方法的原子經(jīng)濟(jì)性均為76.57%。

作者開發(fā)的連續(xù)流生產(chǎn)工藝表現(xiàn)出顯著的原子效率、反應(yīng)質(zhì)量效率、碳效率、化學(xué)產(chǎn)率和質(zhì)量生產(chǎn)率分別比間歇法提高119.97%、122.21%、122.26%、122.19%和122.23%。
此外，連續(xù)流工藝還具有較低的環(huán)境影響因子、工藝質(zhì)量強(qiáng)度和廢水強(qiáng)度，這些指標(biāo)分別降低了92.57%、89.22%和97.48%。
這些結(jié)果明確地表明，9-芳基-芴-9-醇的連續(xù)流生產(chǎn)工藝不僅更環(huán)保，而且更具成本效益，使其非常適合工業(yè)應(yīng)用。

為了驗(yàn)證該工藝的穩(wěn)健性和通用性，作者在各種底物上進(jìn)行了測(cè)試（圖5）。

圖5. 底物拓展

芴酮和2,7-二溴芴酮與苯基溴化鎂反應(yīng)，分別生成產(chǎn)物3b(>99%)和3c(>99%)。
為了進(jìn)一步證明該過程的普遍性，研究者用二苯甲酮取代了芴酮衍生物，這是一種反應(yīng)性較低、空間位阻較大的非共軛體系。當(dāng)停留時(shí)間延長(zhǎng)到3分鐘時(shí)，3d的產(chǎn)率達(dá)到90%。
此外，作者還測(cè)試了不同基團(tuán)（甲基、乙基、甲氧基和辛基氧基）的格氏試劑與2a的反應(yīng)，形成3e(>99%)、3f(>99%)、3g(>99%)和3h(84%）。

這些結(jié)果表明，各種底物和具有不同電子結(jié)構(gòu)和空間位阻的格氏試劑在格氏反應(yīng)中獲得了較高的產(chǎn)率。因此，與間歇反應(yīng)器相比，連續(xù)流合成的應(yīng)用成功地提高了工藝的穩(wěn)健性和通用性。

9-([1, 1′-聯(lián)苯]-2-基)-9H-芴-9-醇是有機(jī)半導(dǎo)體星形構(gòu)建單元SBF的重要中間體。然而，在反應(yīng)釜中大規(guī)模生產(chǎn)SBF有反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、反應(yīng)溫度高和放大效應(yīng)等問題。

圖6. SBF在連續(xù)流中的端到端合成路線

研究者通過連續(xù)流動(dòng)技術(shù)將格氏反應(yīng)和付克反應(yīng)串聯(lián)起來，成功實(shí)現(xiàn)了SBF的端到端合成。

值得一提的是，當(dāng)格氏試劑2i的濃度為0.15M時(shí)，溶液全部溶解，產(chǎn)物3i以細(xì)顆粒(＜200um)的形式直接沉淀在微通道中，并流入收集瓶，產(chǎn)率為92%。然后，將3i與乙酸和鹽酸在0.1M溶液中混合，并在室溫下以60mL min⁻¹的流速泵入微通道，停留時(shí)間48s，使SBF的產(chǎn)率提高到>99%。使用連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)估算目標(biāo)產(chǎn)品SBF的生產(chǎn)率，并確定理論生產(chǎn)率為123 g· h⁻¹。

在康寧反應(yīng)器上將格氏反應(yīng)和付克反應(yīng)串聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)了SBF的端到端合成，反應(yīng)器中流出的反應(yīng)液直接旋蒸后即可得到粗產(chǎn)物，四氫呋喃的回收率達(dá)到了90%。此外后處理采用工業(yè)上常用的打漿技術(shù)，加入水打漿除去無機(jī)鹽，過濾即可得到最終產(chǎn)物，不僅操作簡(jiǎn)單，而且整個(gè)過程綠色高效。

本研究報(bào)道了在室溫下使用微通道連續(xù)流工藝強(qiáng)化方法成功制備公斤級(jí)9-芳基-芴-9-醇，產(chǎn)率>99%。
連續(xù)流動(dòng)工藝不僅在室溫下將9-芳基芴-9-醇的產(chǎn)率從45%提高到>99%，而且還將停留時(shí)間從15小時(shí)顯著縮短到36秒，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了9-芳基-芴-9醇357 g·h⁻¹的高產(chǎn)率。
開發(fā)的連續(xù)流工藝實(shí)現(xiàn)了1.9747 kg·kg⁻¹的環(huán)境影響因子（E因子），在綠色、環(huán)保和成本效益高的條件下表現(xiàn)出強(qiáng)大的穩(wěn)健性和無放大效應(yīng)。
通過使用串聯(lián)格氏反應(yīng)和付克反應(yīng)在室溫下連續(xù)合成SBF，在連續(xù)流動(dòng)中實(shí)現(xiàn)了123 g·h⁻¹的產(chǎn)率。
這一創(chuàng)新為SBF衍生物提供了一條高效的綠色連續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)路線，對(duì)二芳基芴衍生物的商業(yè)應(yīng)用具有重要意義。

致謝：

該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (22071112, 22275098 and 62288102)、南京郵電大學(xué)有機(jī)電子與信息顯示國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(GDX2022010005和GZR2022010011)資助，以及康寧反應(yīng)器技術(shù)中心（中國(guó)）伍辛軍博士、苗興亮工程師等人的售后支持。