光化学反应如何优化?

一. OFAT实验方法

首先，研究人员记录了四种光敏剂、2-氟甲苯、2-氟苄氯和NCS在300~400nm之间的吸收光谱。在365nm处，光敏剂有光吸收，而NCS和2-氟甲苯没有光吸收。

图3. 选定光敏剂在300-400nm吸收光谱

初步实验用Vapourtec?光化学反应器，含氟聚合物管制成的10mL线圈式管道式反应器。

图4. 连续管式光化学反应器装置图

采用 单因素实验方法（OFAT） ，考察了光敏剂的添加、反应温度和停留时间对反应结果的影响：

• 比较四种光敏剂对反应的促进效果，Entry 3-6， 二苯甲酮对此光催化氯化的促进效果最佳 ，0.1% eq.的光敏剂，可以得到91%的转化率（Entry 3）。

• Enrty 7-8，提高反应温度至60℃， 降低光敏剂的用量至0.05% eq.，并考察停留时间在15 min和5 min的反应效果， 得到单因素反应最佳的反应条件Entry 8，转化率87%，选择性92%。

表1. 管式光化学反应器中工艺条件优化

二. DOE实验设计

在单因素实验的基础上，研究人员设计了多因素实验（DOE）以获得工艺参数空间，选择了停留时间、反应温度、NCS的用量、反应浓度以及光敏剂的添加量五个反应变量（下图5-A）。

从3D等高线图（下图5-B、5-C）上可以很直观的看到，不论是在低温长时间的反应条件，还是高温短时间的反应条件，二氯代副产物始终随着转化率的升高而升高。

从反应优化图（下图5-D），以最小化二氯代副产物，模型给出了最佳的反应条件区间，停留时间30min，反应温度30℃，底物浓度0.5 mol/L，NCS用量0.8 eq。

图5. DOE实验设计

研究人员对最佳的模拟条件进行了实验验证Entry1 vs 2， 实验结果与模型的预测结果一致。

如果允许反应中的二氯代副产物由3%提高到7%，模型给出的最佳条件是Entry 4，对比单因素实验的最佳结果Entry 3，反应的停留时间太长（29.5 min），浓度较小（0.64mol/L）而光敏剂的用量过大（0.47 eq.）。

表2. DOE方法实验结果

三. 康宁光化学反应器实验室放大

由于管道式反应器的放大效应，研究人员将实验室放大设备置换成了康宁G1-LF 光化学反应器。

图6.康宁G1-LF光化学反应器

【编者语】康宁系列光化学反应器无缝放大的技术特性、高效的光透射效率和独特的光源，可以有效促进光化学反应从实验室小规模往更大规模实施。

将一种光化学反应器上的反应条件转移到另一个光化学反应器上是有挑战的，需要对光源的辐射性质、停留时间等参数重新研究。

收率提高： 研究人员首先在康宁光化学反应器上研究了停留时间对该反应的影响，随着停留时间由1min增加到5min，原料的转化率由33%提高到84%，反应的选择性明显优于管式光化学反应器中的反应结果（由92%提高至96%）。

表3. 康宁反应器中2-氟甲苯的光催化连续氯化反应

传质更好： 研究人员还发现，随着停留时间的增加，雷诺系数降低，表明流动更加平缓，但单位体积内的光子密度也随之增加，这也与反应转化率的提高相一致。

表4. 不同停留时间下光子密度、流体雷诺系数和转化率的实验

易于放大： 优化后的反应条件在2-氟苄氯的实验室放大制备中成功实现，在康宁G1-LF光化学反应器上，连续运行4小时，制备了55g产品，2-氟甲苯的转化率为87%，选择性为95%。若将该反应条件经康宁G3光化学反应器继续无缝放大，单套反应器可实现8kg/天的制备通量。

四. 两种反应器的反应结果和设备参数对比

1.反应结果

2.设备参数