光化学反应对人类的生存和发展起着不可或缺的作用。从光合作用合成人类基本生存所需的氮气、食品和衣物到社会高度发展所需的各种新型材料、保健药品以及维护生态环境的光化学废物处理, 人类生活的很多方面都与光化学反应相关。有光参与的化学反应避免了许多传统化学反应给环境带来的污染(如有毒溶剂和废水)。此外, 通过光化学处理各种有机废物, 还可以消除对环境的影响。 光化学合成反应因具有使用清洁能源,高能量利用率,高选择性,高原子经济性,反应条件温和可控等诸多优势成为近代原料药生产工艺研究的热点。
光化学反应具有无污染、节能低耗、快速易操作等技术特点,被广泛的应用于制药、农药、食品添加剂、有机化学的合成、环境保护(废水处理)、化学分析以及生命科学等领域。由于使用可见光、紫外光(UVA光)或廉价的LED灯便可实现光化学反应,因此光化学反应在学术界和工业界得到较为广泛的应用。
近年来,光化学重新引起人们的兴趣,但仍然存在的一个经典问题是如何缩放光化学转化。由于光子传输的衰减效应(比尔-兰伯特定律),可扩展性受到严重阻碍,这会阻止使用尺寸扩大策略进行放大。如果使用更大的反应器,反应混合物的过度辐射会成为一个重要问题,因为反应时间显着增加,通常会导致副产物的形成。在光化学应用中使用连续流动微反应器可以克服与批量光化学相关的大多数问题。典型微反应器的窄通道提供了确保整个反应混合物均匀照射的机会。最后,可以显着加速光化学反应,并且可以最大限度地减少副产物的形成。虽然近年来在实验室规模上已经证明了流动光化学的许多成功例子,但扩展到工业相关数量的概念很少。我们实验室的研究不仅侧重于新型流动光化学,而且还侧重于开发用于紫外线和可见光照射的模块化可扩展流动光化学平台,该平台可以解决与 API 合成相关的单相和多相化学问题。
使用光来诱导化学反应很有吸引力,因为光子是无痕试剂,可提供能量在温和条件下激活底物、试剂或催化中间体。传统上,光化学反应是使用紫外线激发底物或试剂来进行的。这些光源的高能量需要特殊的设备,而且往往会引起非选择性反应,难以预测和控制。随着可以用低能光子激活的光催化剂 (PC) 的发展,这种情况发生了变化,为可持续的化学合成铺平了道路,该合成由无害且环保的试剂:可见光驱动。
流动反应器的窄通道尺寸提供了确保整个反应混合物均匀照射的机会。因此,与间歇式反应器相比,光化学反应可以显着加速并扩大到更高的数量。流动化学也是涉及多相转化的首选技术。高表面积与体积比是小反应器尺寸的结果,导致两相(甚至三相)之间的有效传质。在气态试剂的情况下,流动反应器进一步提供了使用质量流量控制器控制气体化学计量的机会,并且很容易加压,这增加了气体在反应混合物中的溶解度。
尽管可见光光催化合成是有机化学中一个相对年轻的分支,但它很快成为合成化学家不可或缺的一部分。与可见光光催化相关的优势导致在药物化学中的各种应用,包括药物发现、生物偶联、后期 C-H 功能化和同位素标记。
微通道光化学反应器拥有透光率高、耐高温、耐高压、光强度大、光源纯净,控温精准、无放大效应。光化学反应器主要用于研究气相、液相固相、流动体系在模拟紫外光、模拟可见光、特种模拟光照射下,负载光催化剂等条件下的光化学反应。
光化学是一种清洁、低能耗和原子经济的绿色合成方法,是合成化学中非常热门的研究领域之一。光化学反应以光为激发手段, 研究激发态分子的反应行为。与传统的基态分子热化学反应相比,光化学反应具有以下特点:
(1)热化学反应一般活化能较高, 因而反应温度也较高;光化学反应的活化能则接近于零,因此在低温或室温下就可以进行;
(2)含有多个活性基团的复杂分子,经常需要先将其它基团保护起来,才可使其中某一特定基团发生反应;而在光化学反应中,由于不同基团在分子中的化学环境不同,被激发所需光的波长不同,因此在不需要保护基的情况下可以选择性地使某一基团发生反应;
(3)光化学反应经常可以得到普通化学很难合成的产物,反应合成分析中巧妙地利用光化学反应往往可以大幅度缩短合成路线的步数。
图1间歇式和流动式反应器中的光化学
可能的光化学应用包括:单线态氧的原位生成、光氧化、顺反异构化
、氟化、氰化、通过重氮化学形成碳-碳键、纳米粒子制造。
连续反应包括:开环、光氧化还原、光氧化