四川輕化工大學(xué)與中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所的科研團(tuán)隊(duì)，在《化學(xué)學(xué)報(bào)》2023年第1期發(fā)表重磅研究成果——他們開發(fā)出一種基于連續(xù)流微反應(yīng)器的蒽-鈰協(xié)同催化體系，成功攻克傳統(tǒng)芐位氧化反應(yīng)的諸多難題，為綠色有機(jī)合成提供了全新思路。

核心突破：溫和條件下實(shí)現(xiàn)高效轉(zhuǎn)化

傳統(tǒng)芐位氧化反應(yīng)依賴昂貴復(fù)雜的金屬催化劑，且需高溫、強(qiáng)氧化劑加持，反應(yīng)效率低且安全性差。而該研究團(tuán)隊(duì)提出的新方案，實(shí)現(xiàn)了三大關(guān)鍵突破：

1. 協(xié)同催化體系，效率大幅提升

研究選用9,10-二溴蒽（DBA）作為有機(jī)光催化劑，搭配鈰-醇配合物（以Ce(NO?)?·6H?O為鈰源、三氯乙醇為氫原子轉(zhuǎn)移催化劑），構(gòu)建起蒽-鈰協(xié)同催化體系。通過配體到金屬電荷轉(zhuǎn)移（LMCT）與氫原子轉(zhuǎn)移（HAT）機(jī)制，在可見光（400nm LED）照射下，激發(fā)態(tài)DBA能快速促進(jìn)Ce(III)再生為Ce(IV)，顯著加快催化循環(huán)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，僅需2mol% DBA作為共催化劑，乙苯芐位氧化反應(yīng)的收率就能從單獨(dú)鈰催化的14%飆升至92%，產(chǎn)量更是達(dá)到8.4mmol/h，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)催化體系（如TBADT催化僅0.3mmol/h、鐵催化1.1mmol/h）。

2. 連續(xù)流技術(shù)，兼顧安全與規(guī)模

團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將協(xié)同催化體系與連續(xù)流微反應(yīng)器結(jié)合，搭建了包含輸送、反應(yīng)、背壓、產(chǎn)物收集四大單元的反應(yīng)系統(tǒng)。微反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相混合高效，光照效率提升，且反應(yīng)器體積小（總?cè)莘e5.4mL），能降低危險(xiǎn)反應(yīng)物單位載量，大幅提升有氧氧化反應(yīng)的安全性。

更關(guān)鍵的是，該系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)流速靈活控制反應(yīng)：在液體流速2mL/min、氧氣流速8mL/min的條件下，反應(yīng)保留時(shí)間僅需1.8min即可完成轉(zhuǎn)化，最高產(chǎn)量達(dá)8.7mmol/h；且體系易放大，為工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。
3. 條件溫和且普適性強(qiáng)

反應(yīng)全程在室溫、0.8MPa氧氣壓力下進(jìn)行，無需高溫高壓，氧化劑僅使用環(huán)境友好的氧氣，原子經(jīng)濟(jì)性高，廢物排放少。同時(shí)，該體系對(duì)多種烷基芳烴底物表現(xiàn)出優(yōu)異的兼容性：

- 無論是帶甲氧基等給電子基團(tuán)的乙基苯，還是含硼酸酯、乙酰基等吸電子基團(tuán)的底物，均能以90%左右收率得到目標(biāo)芳香酮；

- 對(duì)芐位苯基取代的二甲苯、環(huán)狀芴、苯酞等特殊結(jié)構(gòu)底物，也能實(shí)現(xiàn)高效氧化，收率58%-86%；

- 反應(yīng)化學(xué)選擇性高，未檢測(cè)到芐位C-C鍵斷裂產(chǎn)生的苯甲酸副產(chǎn)物。

 圖1 連續(xù)流光化學(xué)反應(yīng)器裝置圖

機(jī)理揭秘：雙循環(huán)驅(qū)動(dòng)反應(yīng)高效進(jìn)行

為闡明協(xié)同催化的核心機(jī)制，團(tuán)隊(duì)通過UV-Vis吸收光譜、熒光發(fā)射光譜及循環(huán)伏安法等實(shí)驗(yàn)，提出了“有機(jī)光催化劑循環(huán)+鈰催化循環(huán)”雙循環(huán)模型：

1. 鈰催化循環(huán)：Ce(IV)-醇配合物在可見光下經(jīng)LMCT均裂產(chǎn)生三氯乙氧自由基，通過HAT活化乙苯芐位C-H鍵生成芐基自由基，后者被氧氣捕獲后經(jīng)還原形成苯乙酮，同時(shí)Ce(IV)轉(zhuǎn)化為Ce(III)；

2. 有機(jī)光催化劑循環(huán)：基態(tài)DBA吸收光子躍遷至激發(fā)態(tài)，被氧氣或過氧物種氧化為DBA自由基正離子，隨后通過單電子轉(zhuǎn)移（SET）將Ce(III)氧化為Ce(IV)，自身回到基態(tài)，完成循環(huán)。

雙循環(huán)的協(xié)同作用，解決了傳統(tǒng)鈰催化中Ce(III)再生緩慢的瓶頸，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)效率的質(zhì)的飛躍。

 應(yīng)用前景：為綠色合成開辟新路徑

芳香酮是藥物、生物活性分子中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)單元（如抗抑郁藥、抗炎藥中間體），該研究開發(fā)的催化體系具有廉價(jià)、高效、綠色、易放大等優(yōu)勢(shì)，未來有望應(yīng)用于：

- 醫(yī)藥中間體的規(guī)模化綠色合成，降低生產(chǎn)成本并減少污染；

- 精細(xì)化工領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)多種功能化芳香酮的定向制備；

- 拓展至其他C(sp³)-H鍵官能團(tuán)化反應(yīng)，推動(dòng)光催化合成技術(shù)的發(fā)展。

這項(xiàng)研究不僅為芐位氧化反應(yīng)提供了全新解決方案，更展示了連續(xù)流技術(shù)與協(xié)同催化結(jié)合的巨大潛力，為有機(jī)合成向“更綠色、更高效、更安全”方向發(fā)展注入新動(dòng)力。相信隨著技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化，該體系將在醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，助力可持續(xù)化學(xué)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

（原文鏈接：[化學(xué)學(xué)報(bào)](http://sioc-journal.cn)，DOI: 10.6023/A23030099）
浙江布瑞利斯在連續(xù)流光化學(xué)領(lǐng)域造詣深厚，以技術(shù)創(chuàng)新與工業(yè)化落地能力為核心優(yōu)勢(shì)。其連續(xù)釜式光反應(yīng)器，融合連續(xù)流與釜式反應(yīng)優(yōu)勢(shì)，攻克固液體系反應(yīng)難題，光照利用率提升 2 倍以上，混合均勻度超 98%。