碳化硅材质微反应器应用于Wolff–Kishner还原反应

【MIT案例】 “金刚不坏”—碳化硅材质微反应器应用于Wolff–Kishner还原反应

背景介绍

Wolff–Kishner还原反应是一种以醛或酮作为原料，在碱性条件下原料与肼作用使羰基被还原为亚甲基的反应。该反应的具体操作是先将反应物与氢氧化钾、肼和高沸点醇类的水溶液混合加热，生成腙后，将水和过量肼蒸出，待温度达到195- 200℃时回流3- 4 h即得目标产物。作为一种经典的还原反应，其在制药及化工领域已经有了一些摩尔级的应用[1][2]。但想实现大规模的工业化，该反应还存在一些潜在风险，主要有三点：点，大量过量的肼的使用存在潜在的爆炸风险；第二点，大量氮气的产生存在潜在的高压风险；第三点，反应器材质的选择也很有限（不锈钢可能会参与反应，玻璃在高温下会被氢氧化钾腐蚀）。同时，其同类型的其他反应各自都有较大缺陷，Clemmensen还原会产生大量的金属废水，加氢还原的适用范围较窄。相较之下Wolff–Kishner还原反应还原剂为廉价的肼，副产物仅为氮气和水。具备一定的开发价值。MIT的 Klavs F. Jensen教授课题组开发了一种碳化硅材质的反应器，利用流动化学进行了Wolff–Kishner还原反应。有效的消除了一些隐患。相关成果发表在了化学类期刊《Green Chemistry》上（Green Chem, 2014, 16, 176–180）

Table 1 经典的Wolff–Kishner还原反应

连续流方案

Step 1 反应器的开发

碳化硅作为一种具有优异化学相容性、温度稳定性和导热性能的陶瓷材料广泛应用于生活生产的各个领域。然而在精细化工领域还没有一种普适性较好的碳化硅材质的反应器。由此Jensen课题组开发出了一种新型的微反应器，该反应器是由两个具有相同外部尺寸和独立内部设计的EKasic 碳化硅（3M公司）板堆叠而成，两块碳化硅板上均有两个入口、一个淬灭口及一个出口（fig. 1 a)。板上的流型通道均是通过Nd: YAG扫描激光冲蚀加工而形成（由于激光蚀刻致边缘挡住激光而使其形成了梯形而非矩形的横截口（fig. 1 b)）。之后将两块板进口、出口、淬灭口对准，在惰性气体保护，1700°C，15 bar均衡压力的条件下，两块板惰性键合完全成为一个整体(fig. 1 c)。尽管由于在边缘施加压力略低而导致形成缝隙（fig. 1 d），但反应板内部的截面显示两块板已经的融为了一体（fig. 1 e）。之后，对该反应器进行了测试，该微反应器在300°C高温，48 bar压力的测试条件下没有发生故障。

en课题组开发的微反应器

Fig. 1 Jensen课题组开发的微反应器

Step 2  反应条件的优化及底物拓展

作者以二苯甲酮作为反应底物对压力、温度、停留时间、底物浓度、肼当量、KOH当量和溶剂等反应条件进行了一系列优化（Table. 1）。终以200 psi的压力，200°C的反应温度，5 min的停留时间，0.8 M的底物浓度，1.5个当量的肼，3个当量的KOH，二乙二醇单yi mi为溶剂这一条件为优异的条件。在此条件下，二苯甲烷产率为83%。相比于普通的釜式反应而言，流动化学反应中反应速度加快了100倍，肼的用量由大量过量降至1.5个当量，同时得益于碳化硅材质的稳定性解决了反应器材质适用性的问题。大大的提高了反应的效率和安全性。随后作者进行了一系列的底物拓展（Table. 2），表明了该项反应技术可以适用于绝大部分类型醛、酮的Wolff–Kishner还原反应。

Table. 1 条件优化

Table. 2 底物适用性研究

实验讨论

1 文中设计的碳化硅微反应器（3M公司，荷兰Chemtrix）能够进行一些常规材质（玻璃、不锈钢等）的反应仪器无法进行的反应，为一些特定（腐蚀性强等）的反应试剂提供了一种可靠的反应容器。同时较釜式反应而言，碳化硅微反应器可以在高温、高压条件下较为安全的进行反应。

2 从釜式反应向连续流反应的转变使得Wolff–Kishner还原反应变得更加便捷，更加，更加安全。为该反应的规模化、工业化生产提供了一条崭新的思路。

参考文献：Green Chem, 2014, 16, 176–180（文中图片均来自于该文）

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