MacMillan教你如何選擇光催化反應器

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還在為重複不出來文獻報導的那些光催化反應而發愁嗎？還在為光催化反應裝置不標準、光源利用率低，導致你探索新反應一路受挫而苦惱嗎？還在為光催化反應的可重現性和標準化擔憂嗎？現在默克（Merck）就帶大家來看下光催化大牛MacMillan組設計的光催化反應器吧。

膜拜大神的第一臺光催化反應器

在過去的10年裡，光催化在有機合成中的應用得到了飛速的發展。然而，文獻報導的光催化實驗過程千差萬別，很大程度上限制和阻礙了光催化作為通用型實驗方法的推廣。為了解決這個問題，在光催化研究領域的領軍人物MacMillan課題組首先設計了一臺光催化反應器，用於光催化反應中光能的捕獲和催化劑的激發。

圖一 集成光催化反應器，來源 ACS. Cent. Sci.

我們知道，在可見光催化中光催化劑是一種能捕獲光能的分子，並將可見光轉化為化學能，利用這一技術促進了許多像光催化水的分解、CO2還原以及太陽能收集等重要研究的發展。最近，將可見光催化應用於合成有機化學已經成為了一個非常重要的研究領域。尤其是在最近10年裡，在有機化學領域報導了大量的光催化研究。在這些研究中，利用光催化劑可控的有選擇性的產生開殼層有機化合物種來構建新化學鍵，已經成為一項非常重要的合成技術。將光催化與其他例如過渡金屬催化有機小分子催化相結合，極大的促進了片段偶聯（fragment-coupling）反應在藥物化學和化工生產的發展。

可見光、長波紫外光（UVA）以及商品化的低成本高能LEDs光源的使用促進了光催化在學術研究和工業化生產的快速廣泛的應用。對於光介導的反應，研究人員不僅想通過它來促進新反應模式的創新，同時非常希望發展標準化的實驗操作流程來促進反應的可重現性。根據朗伯—比爾定律，我們知道在某一給定的介質中，光強度會隨著光通過介質長度的增加呈指數級降低。因此，光催化的研究人員認為，對於某一給定的可見光催化反應，有理由假設只有反應介質靠近燈管壁在2 mm以內，才能被光充分照射到。許多光催化的研究採用的是定向燈和圓柱形的反應管或者圓形的反應瓶，這樣導致大部分的光能由於折射而損失。同樣，到現如今大多數有機光催化轉化被認為是在「光照受限」體系下操作的，這是由於以下兩個原因造成的：（i）光穿過有一定厚度的反應瓶壁強度有損失，（ii）由於接受光照的反應瓶是圓曲線表面，只有一部分能直接被光源照射到，所以瓶中的反應液捕獲的光照不夠充分。

圖二 標準的40 W Kessil 藍色LEDs 燈和其剖面圖，來源 ACS. Cent. Sci.

對於光照受限的體系也是很容易理解的，如果光照強度增加，反應液捕獲的光能也將按比例增加，同時也就導致被光照激發的催化劑濃度增加。我們知道，高濃度活化的催化劑的形成通常會促進許多基元催化步驟反應速率和效率的提高，這一方案可以提高總體反應時間和反應效率。考慮到這一點，許多研究小組為了解決光穿透受限的問題，採取了相對較直接的方法，例如將反應管放置得離光源更近一些，或者通過增加光源的數量(組合使用多盞燈)來增加有效光照強度。不幸的是，採取這些方法往往會蓄積大量的熱能而促發熱反應通路，降低光照產生的光反應通路產物的收率。另外，在上述反應體系中加入冷卻系統通常需要很繁瑣的操作過程，並且往往不能改善結果。

十多年研究造就大神光催化反應器

在MacMillan課題組十多年的研究中發現，光源的選擇、反應瓶的幾何形狀、離光源的距離會顯著改變光催化反應的速度和效率，甚至是反應模式。包括MacMillan課題組在內的許多光催化研究課題組普遍認為，標準化的光催化反應裝置會被廣泛的採用，這樣不僅為了提高反應的重現性，而且也為了探索和發現新反應。考慮到以上這些，我們注意到自動化連續流技術可以對光催化反應提供高級別的標準化，包括光傳播距離、光的強度和幾何形狀，然而這個技術並沒有在學術研究、製藥、香料、農藥或者材料實驗室等領域廣泛的實施和應用。

為了計算被傳輸到反應物的總的輻射能，研究者選擇了一種簡單的基於牛頓冷卻定律數學模型的分析方法，通過使用量熱計來採集測試期間產生的溫度曲線。通過使用這個模型，他們構建並測試了相比常用的藍色LED燈帶能捕獲更多光能的LED裝置。在這個光能捕獲篩選實驗過程中，他們將反應瓶懸置在4個3.5見方450 nm 的XTE LEDs燈（Cree, Inc., Durham, NC）上方6 mm。選擇的這些LEDs燈效率＞35%，輸出功率＞1.1 W，不同包裝大小可提供不同波長的選擇。值得注意的是，雖然縮短LED燈組與反應瓶的距離可以加強光能的捕獲，但是該系統存在冷卻效率低和反應溫度難以控制的問題。作為第二個關鍵的設計元素，是採用一個管狀鏡像外殼來確保表面反射的光能重新反射到反應瓶上。具體說，這個反射腔室保證了反應瓶表面能360°暴露於光照下（與只能180°的定向LED燈形成鮮明對比）。的確，量熱計的測量結果顯示，與標準的LED Lessil 燈帶裝置相比，XTE系統入射輻射功率增加了10倍。結合這些改進，他們採用3D列印技術，這套新設計的光傳輸裝置被很快應用到光催化反應器的設計和製造中。

圖三 新設計的LED光催化反應器和剖面圖，來源 ACS. Cent. Sci.

集成的標準化光催化反應器

緊接著，他們設計了一臺集成的光反應器，這臺光反應器可以同時提供冷卻和攪拌功能，操作簡便，數據穩定。為了解決冷卻降溫的問題，在LED燈組下方安裝了一個軸式風扇，用於給反應瓶和LEDs燈散熱。這種強制對流冷卻方式簡單高效，可以通過調節風扇的轉速將反應溫度控制在一定的範圍內（25-60 ℃）。正如之前所述，LED燈組與反應瓶保持6 mm的間距可以確保最佳的光能捕獲和最低的熱能傳導。為了集成攪拌這個功能，在LED燈組下面安裝了帶有稀土磁鐵的無刷電機。為了方便操作，他們還設計了連有Raspberry Pi控制系統的觸控螢幕來調控攪拌的速率和風扇的轉速，這同時也使反應時間的設定和LED燈的控制變得簡單。值得注意的是，這種對LED燈源的調控能力為光催化反應的篩選提供了額外的反應參數設定，而對於這個參數，通常的光催化反應器是很難做到高精度控制的。這臺光反應器還集成了一系列額外擴展的特性，比如，LED燈組是可插拔模式，允許使用者根據需求快速更換光源照射波長，來最大限度匹配光催化劑和光敏劑的最大吸收波長。儀器設計了一個可調節大小的反應瓶底座，可以適應不同大小的反應瓶，比如4、8、20、40 mL的反應瓶，保證反應規模可以從毫克放大到克級規模。同時這些底座確保了相同一致的受光位置，固定了反應瓶到LED燈組的最佳距離。最後，這臺反應器還配備了一個燈罩，以確保操作的安全，避免使用者直接暴露在高能量的可見和長波紫外線照射下。

圖四 集成的光催化反應器和對應的可調節部件，來源 ACS. Cent. Sci.

MacMillan課題組使用集成的這臺光催化反應器與傳統的光催化反應器進行對比，比較了在藥物合成中使用率非常高的8個反應，默克（Merck）帶你一起一探究竟：

集成光催化反應器vs.藍色LED燈

首先， Stephenson 組報導了關於光催化的三氟甲基化反應，將N-Boc保護的2-乙醯基吡咯作為模板底物，使用藍色LED燈帶，反應時間控制為60分鐘，收率可以達到62%，研究人員按照上述方法使用LED燈帶也重複出了反應。當作者使用集成的這臺光催化反應器，重複這個反應時，能以僅僅3分鐘的反應時間，64%的收率快速高效得到產物。

圖五 Stephenson 三氟甲基化反應和反應時間研究曲線，來源 ACS. Cent. Sci.

集成光催化反應器vs.緊湊型螢光燈（CFL）

研究人員也考察了最近Li課題組報導的對芳香環三氟甲基化的反應，同樣他們成功重複出了文獻報導的反應，使用26 W的CFL燈裝置，反應14小時後，以60%的收率合成了三氟甲基化的1,3,5-三甲氧基苯。使用集成的光催化反應系統，該反應的速率可以提高七倍，反應時間縮短至2小時，收率提高至70%。

圖六 Li 三氟甲基化反應和反應時間研究曲線，來源 ACS. Cent. Sci.

集成光催化反應器vs. 高能Kessil藍色LEDs燈

使用40 W Kessil lamp 的藍色LEDs光催化反應體系，環己基甲酸可以發生脫羧芳基化反應，反應時間為3小時，反應收率是58%。當這個反應在集成的光催化反應器中進行時，反應時間可以縮短至20分鐘，收率也提高到了64%，大大提高了反應效率。

圖七 脫羧芳基化反應和反應時間研究曲線，來源 ACS. Cent. Sci.

MacMillan課題組還比較了其他五個藥物合成中常用的光催化反應，您可以在文末的直播預告中關注相關內容，或者掃碼進群參加默克光催化討論並獲取相關學習資料。

總結一下，MacMillan課題組設計了一臺集成的光催化反應器，用來拓展可見光催化領域的應用。這臺集成的光催化反應器用來提高反應體系的曝光量，有效激發體系中的光催化劑，這樣就可以大大提高各個反應的反應速率。確實，當使用藥物合成中經常使用的8個光催化反應來評估這臺儀器，也確證了這臺集成光催化反應器可以大大提高反應效率、操作簡單、重現性好。

默克為您提供優質的光催化反應器

默克集團（Merck KGaA）作為一家擁有352年歷史的全球領先的科技公司，致力於以技術為驅動，為客戶創造價值，為從事光催化研究的科學家推出了三款標準化的光催化反應器，大家可以點擊文末「閱讀原文」了解詳情：

Z744035

Penn PhD Photoreactor m2

• 特點：交互式觸控螢幕，可控制反應參數已獲得Intertek ETL、CE和CB安全、質量和性能認證
• 用戶自定義參數：溫度、光強度、風扇速度和攪拌
• 具有自動停止、暫停和重置選項
• 支持4、8、20和40 ml的氣相色譜儀樣品瓶
• 使用K型熱電偶進行溫度監測

Z742680

SynLED Parallel Photoreactor

• 4×4反應模塊上的底部發光LED（465-470 nm）提供一致的光強度（130-140 lm）和角度（45°)
• 內置冷卻風扇為每個平行反應提供一致的溫度
• 可兼容1-2個Dram閃爍瓶或微波瓶
• 專用於搭配傳統攪拌器；具有一個圓形切口，可牢固安裝在IKA牌攪拌器上

Z742612

Photo KitAlysis™ Starter Kit

• 微量規格，每種底物僅需約100 mg即可運行24個獨立的反應
• 微量玻璃瓶中裝有24種預稱重催化劑，並附帶磁力攪拌棒和蓋墊
• LED控制器的可變輸出範圍為0–30 mA
• 具有三種不同的LED光源：藍光、綠光和白光

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線上講座預告

默克致力於推動人類健康事業的發展，旗下Sigma-Aldrich®品牌立足為新藥研發的不同階段提供完善的解決方案，其中包括：

1. 藥物發現階段Protac®、DEL技術，逆合成Synthia™軟體，光催化及催化劑THS平臺搭建；

2. 藥物遞送階段：聚合物給藥技術，微流控制備技術；

3. 工藝開發階段：大包裝化合物定製服務等。

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參考文獻

1. ACS Cent. Sci., 2017, 3, 647−653

2. Chem. Rev., 2016, 116, 10075−10166

3. Chem. Rev., 2013, 113, 5322−5363