CN111298737B

CN111298737B - 一种多功能连续流动合成装置

Info

Publication number: CN111298737B
Application number: CN202010171581.0A
Authority: CN
Inventors: 陶胜洋; 孙鹏博
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2020-03-12
Filing date: 2020-03-12
Publication date: 2021-08-17
Anticipated expiration: 2040-03-12
Also published as: CN111298737A

Abstract

本发明涉及化学合成设备领域，具体是一种多功能连续流动合成装置。包括液体输送模块、反应模块和/或温控模块，液体输送模块和反应模块相连通，反应模块包括加热反应模块、和/或低温反应模块、和/或光化学反应模块、和/或填充柱式反应模块、和/或电化学反应模块；加热反应模块和低温反应模块的反应管路层由反应管路盘旋嵌在基材表面上，光化学反应模块的反应管路层由反应管路盘旋嵌在基底块表面上，基材上没有反应管路的位置为镂空结构，或将反应管路盘旋嵌在透光的基材表面上，或以反应管路直接面对光源；本发明可以单独使用单一模块反应，也可多种模块组合使用，功能多样。

Description

一种多功能连续流动合成装置

技术领域

本发明涉及化学合成设备领域，具体是一种多功能连续流动合成装置。

背景技术

流动合成，又称连续流动化学，流动合成仪对反应条件具有优异的控制功能，如时间，温度、试剂、混合等条件进行控制，其创新地将传统独立分开的合成操作过程整合起来，加快了合成的速度，尤其是能进行危险的、不易实现的反应。流动合成的反应选择性很高，对于绿色化学和实验室自动化领域具有非常重要的意义。

现有的流动合成仪通常是集成为一体的不可拆卸的装置，并且功能较单一，通常只能进行连续的加热反应，无法满足复杂实验的需求。因此，对流动合成装置进行改进优化，在流动合成装置的模块化，可组装化方面进行重新设计，具有重要的应用价值。

发明内容

为解决现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种多功能连续流动合成装置。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种多功能连续流动合成装置，包括液体输送模块、反应模块和/或温控模块，液体输送模块和反应模块相连通，所述反应模块包括加热反应模块、和/或低温反应模块、和/或光化学反应模块、和/或填充柱式反应模块、和/或电化学反应模块；

所述加热反应模块由上至下依次为顶盖、反应管路层、加热层；

所述低温反应模块由上至下依次为顶盖、反应管路层、制冷层；

所述光化学反应模块由上至下依次为顶盖、反应管路层、光源层、散热片层；

所述填充柱式反应模块为填充柱式反应器；所述电化学反应模块为电化学反应器；

所述加热反应模块和低温反应模块的反应管路层由反应管路盘旋嵌在基材表面上，反应管路的进口与液体输送模块相连通，反应管路出口直接接收反应液或与其他反应模块的反应管路进口相连通；

所述光化学反应模块的反应管路层由反应管路盘旋嵌在基底块表面上，所述基材上没有反应管路的位置为镂空结构，以便于光源穿过，或将反应管路盘旋嵌在透光的基材表面上，或以反应管路直接面对光源；

所述加热层放置加热设备；

所述制冷层放置降温设备；

所述温控模块设有温控装置控制反应管路层的温度。

上述技术方案中，进一步地，所述填充柱式反应器由上至下依次为填充式反应柱层、加热层；所述填充式反应柱层由填充式反应柱嵌在基底块内；所述加热层放置加热设备。

上述技术方案中，进一步地，所述电化学反应模块包括上层壳体和下层壳体，下层壳体内放置反应池，反应池内放置电极，上层壳体上设有电极插口，用以使电极穿过，下层壳体上设有流体入口，上层壳体上设有流体出口。

上述技术方案中，进一步地，所述顶盖为高硼硅玻璃；所述反应管路的材质为PTFE、PFA或FEP，所述反应管路的外径为1.6 mm，内径为0.8 mm。

上述技术方案中，进一步地，所述加热设备为硅胶电加热膜，不锈钢电加热片，电阻丝，PTC加热板或电加热平台；所述降温设备为水冷片、半导体制冷片或液氮容器；所述温控装置为贴片式K型热电偶、RTD传感器、红外温度传感器、高温计、Langmuir探针或液体温度计。

上述技术方案中，进一步地，所述光源为LED光、汞灯、钠灯或太阳光。

上述技术方案中，进一步地，所述基材为铝块、不锈钢块、其他合金或硅制块体。

上述技术方案中，进一步地，所述反应模块下方设置保温层，以维持反应模块内的温度。

上述技术方案中，进一步地，所述液体输送模块包括高压泵、背压阀和混合器，所述混合器为Y型、T型或十字交叉型。

上述技术方案中，进一步地，所述反应模块两端设有中间为凹槽的端盖，用以将反应模块的各层之间固定。

本发明的有益效果：本发明的流动合成仪功能多样，可拆卸，在实际应用中既可以单独使用单一模块反应，也可将多种模块组合使用，满足多种实验需求，极大地提高了仪器的灵活性和使用效率。本仪器小巧精致，便于组装，解决了仪器笨重体积大的问题。

附图说明

图1本发明结构示意图，a.左视图，b.右视图；

图2 加热反应模块结构示意图，a.整体图，b. 整体结构剖视图，c.分解图；

图3 电化学反应模块结构示意图，a.整体图，b.下层壳体示意图；

图4 低温反应模块结构示意图，a. 整体结构剖视图，b. 分解图；

图5 光化学反应模块结构示意图，a. 整体结构剖视图，b. 分解图；

图6填充柱式反应模块结构示意图，a. 整体结构剖视图，b. 分解图；

图7 混合器结构示意图，a. 十字型混合器，b. Y型混合器；

图中，1.反应模块，2.架子，3.试剂瓶，4.高压泵，5.温控装置，6.隔热保温层，7.液体管路，8.端盖，9.背压阀，10.顶盖，11.水冷片，12.反应管路入口，13.承载反应管路的铝块，14.承载加热片的铝块，15.导线和热电偶出口，16.反应管路的出口，17.反应管路，18.加热片，19.电极插口，20.流体入口，21.流体出口，22.反应池，23.电极插口，24.导线和热电偶出口，25.填充式反应柱，26.承载反应柱的铝块，27.填充式反应柱保温层，28.LED光源，29.承载光源的铝块，30. 散热片，31.流体管路，32.管路接头，33.Y型混合器，34.十字型混合器；

图8实施例1反应一实验结果图，a.不同温度下的反应转化率，b.不同流速下的反应转化率；

图9实施例1与现有流动合成仪实验结果对比图；

图10实施例1反应二实验结果图，a.不同温度下的反应转化率，b.不同流速下的反应转化率；

图11实施例2实验结果图；

图12 实施例3二苯基蒽催化氧化转化率曲线；

图13 ZS-0.5催化缩醛水解的转化率曲线。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不以任何方式限制本发明。

一种多功能连续流动合成装置，包括液体输送模块、反应模块和温控模块，液体输送模块和反应模块相连通，反应模块包括加热反应模块、和/或低温反应模块、和/或光化学反应模块、和/或填充柱式反应模块、和/或电化学反应模块；各种反应模块可以单一使用，也可以依据实验需要选择两种或两种以上组合使用；反应模块可以直接连接在线监测装置实时监测。

加热反应模块由上至下依次为顶盖、反应管路层、加热层；

低温反应模块由上至下依次为顶盖、反应管路层、制冷层；

光化学反应模块由上至下依次为顶盖、反应管路层、光源层、散热片层；

填充柱式反应模块为填充柱式反应器；所述电化学反应模块为电化学反应器；

加热反应模块和低温反应模块的反应管路层由反应管路盘旋嵌在基材表面上，反应管路的进口与液体输送模块相连通，反应管路出口直接接收反应液或与其他反应模块的反应管路进口相连通；

光化学反应模块的反应管路层由反应管路盘旋嵌在基底块表面上，所述基材上没有反应管路的位置为镂空结构，以便于光源穿过，或将反应管路盘旋嵌在透光的基材表面上，或以反应管路直接面对光源；

加热层放置加热设备，加热设备可为硅胶电加热膜，不锈钢电加热片，电阻丝，PTC加热板或电加热平台；

所述制冷层放置降温设备，降温设备可为水冷片、半导体制冷片，也可以是液氮容器，使用时将反应模块置于液氮容器内，控制低温；

光源可以为LED光、汞灯、钠灯或太阳光。

顶盖可以是高硼硅玻璃或是其他耐高温耐腐蚀的材料制成。

反应管路的材质为PTFE、PFA或FEP，所述反应管路的外径为1.6 mm，内径为0.8mm。

基材可以是铝块、不锈钢块、其他合金或硅制块体。

本申请的一种实施方式中，填充柱式反应器由上至下依次为填充式反应柱层、加热层；填充式反应柱层由填充式反应柱嵌在基材内；加热层放置加热设备。填充式柱反应器还可以使用活塞流反应器、填充床反应器或连续搅拌罐式反应器，反应器内可以填充玻璃、金属珠、分子筛或树脂。

本申请的一种实施方式中，电化学反应模块包括上层壳体和下层壳体，下层壳体内放置反应池，反应池内放置电极，上层壳体上设有电机插口，用以使电极穿过，下层壳体上设有流体入口，上层壳体上设有流体出口。

本申请的一种实施方式中，反应模块下方设置保温层，将反应模块置于保温层中，防止反应模块与周围环境发生热交换，减小热量损失，保温层可以使用传热差的塑料或石棉网。

本申请的一种实施方式中，在反应管路层设置有温控装置，所述温控装置为贴片式K型热电偶、RTD传感器、红外温度传感器、高温计、Langmuir探针或液体温度计。

本申请的液体输送模块包括高压泵、背压阀和混合器，所述混合器为Y型、T型或十字交叉型。高压泵用于流体的输送，以精确控制液体流速，也可以使用注射泵或蠕动泵。

本申请的一种实施方式中，反应模块两端设有中间为凹槽的端盖，用以将反应模块的各层之间固定。

实施例1

单一使用加热模块进行反应：

液体输送模块包括高压泵、背压阀、Y型混合器、试剂瓶，反应模块置于架子上，架子置于温控装置上，反应模块为加热模块，由上至下依次为顶盖、反应管路层、加热层，顶盖为高硼硅玻璃，加热模块两端以中间带凹槽的端盖将各层紧密结合固定，一侧端盖上设有供反应管路进出的出口和进口，同时还设有供加热设备和温控装置导线进出的接口；反应管路一端连通试剂瓶，另一端经高压泵后盘旋嵌在铝块上，反应管路出口连接背压阀，加热装置采用Kapton电加热膜，额定电压12 V，额定功率75 W，电加热膜以一铝块承载，温控装置采用连接贴片式热电偶的温控继电器，一端置于反应管路层下端，另一端置于温控装置的壳体内。

反应一：

采用在反应性较低的正溴丁烷上，以便我们可以在一定温度范围内探究反应。我们在水杨醛和正溴丁烷的比例为1:1.5，并以DBU（1.5当量）为基准去除HBr副产物。我们探究了不同温度，不同流速下的反应转化率。由图9可见，转化率随温度的升高而升高，随流速的降低而升高，在温度为110℃，流速为15 μL/min时，反应的转化率能够达到83%。同时我们还探究了背压阀的压力对反应的影响，由结果可以看出，背压阀的压力增大，可以提高反应转化率。

对照反应：

利用了Vapourtec公司所生产流动合成仪 (Flow Commander 1. 6) 进行了如上的实验。由图9可见，在同一保留时间下，110℃ 利用Flow Commander进行的反应转化率为65%，该加热模块的实验转化率为60%。Flow Commander的转化率与加热模块相差不大。

反应二：

Knoevenagel 缩合反应是常见的有机反应。我们选择苯甲醛和丙二腈作为反应物，哌啶用作催化剂，其中比例为1 : 2 : 1。我们探究了不同温度，不同流速下的反应转化率。由图10可见，转化率随温度的升高而升高，随流速的降低而升高，在温度为110℃，流速为15 μL/min时，反应的转化率能够达到87%。

实施例2

单一使用电化学反应模块进行反应：

液体输送模块包括高压泵、背压阀、试剂瓶，反应模块为电化学反应模块，电化学反应模块包括上层壳体和下层壳体，下层壳体内放置反应池，反应池内放置电极，上层壳体上设有电极插口，用以使电极穿过，下层壳体上设有流体入口，上层壳体上设有流体出口，反应管路一端连通试剂瓶，另一端由下层壳体入口进入反应池内，反应完成后反应管路经下层壳体流体出口流出，采用的电极为CoFeP电极，经电极插口插入反应池内，上下层壳体以螺丝紧闭固定。

应用上述流动电化学反应器，催化降解亚甲基蓝。采用的是我们自己制备的CoFeP/C电极，（其制备方法如下：1、前驱体的制备：1 mmol Co(NO₃)₂·6H₂O，0.08 mmol Fe(NO₃)₃·9H₂O，2 mmol NH₄F，2 mmol CH₄N₂O（尿素）和30 ml水放入50 ml反应釜中，将用激光扫描碳化好的PI膜竖直放入反应釜中在97 ℃下反应12 h，待反应结束冷却到室温。2、CoFeP/C电极的制备：将0.5 g次亚磷酸钠与前驱体放入管式炉中，升温速率为2 ℃/min，升温到320℃ 加热3 h，自然冷却到室温待用。）其中亚甲基蓝的浓度为25 ppm。实验结果（图11）显示，20分钟后降解率达到97%，五次循环后仍有较高的催化活性。

实施例3

单一使用光化学反应模块进行反应：

液体输送模块包括高压泵、背压阀、Y型混合器、试剂瓶，反应模块置于架子上，架子置于温控装置的壳体上，反应模块为光化学反应模块，由上至下依次为顶盖、反应管路层、光源层、散热片层，顶盖为高硼硅玻璃，光化学反应模块两端以中间带凹槽的端盖将各层紧密结合固定，一侧端盖上设有供反应管路进出的出口和进口，同时还设有光源导线进出的接口；反应管路一端连通试剂瓶，另一端经高压泵后盘旋嵌在铝块上，铝块上没有反应管路的位置为镂空结构，以供光源穿过，反应管路出口连接背压阀经背压阀后反应液排出，光源层的光源为蓝光，以一铝块承载，光源层下端是散热片，散热片带走光源所产生的热量，放置热量积累，温控装置采用连接贴片式热电偶的温控继电器，一端置于反应管路层下端，另一端置于温控装置的壳体内。

利用光化学反应器做了如上反应，在蓝光照射下，利用氧气将二苯基蒽氧化成过氧化二苯基蒽。不同流速下和不同二苯基蒽初始浓度的转化率如图12所示，转化率随着流速的加快而降低。

实施例4

单一使用填充柱式反应器进行反应：

液体输送模块包括高压泵、背压阀、Y型混合器、试剂瓶，反应模块置于架子上，架子置于温控装置的壳体上，反应模块为填充柱式反应器，由上至下依次为填充式反应柱层、加热层，填充式反应柱层由填充式反应柱嵌在铝块内，所用的填充式反应柱为由石英制备的中空反应柱，填充式反应柱层下端为Kapton电加热膜，电加热膜以一铝块承载，温控装置采用连接贴片式热电偶的温控继电器，一端置于填充柱式反应柱层下端，另一端置于温控装置的壳体内，填充柱式反应器外层设有保温层，保温层一侧设有导电和热电偶出口。

填充柱式反应器是一种微反应器，本实施例利用此装置的填充柱式反应器模块做了缩醛水解的反应。在反应柱内填充二氧化锆和二氧化硅的复合催化剂（ZS-0.5）。苯甲醛二甲基缩醛浓度为3.3 mol/L，与水的体积比为3 : 1。反应的转化率随着保留时间的增加而增大，当保留时间为30 min时，转化率可达97%。

实施例5

组合使用加热模块和填充柱式反应器进行反应：

液体输送模块包括高压泵、背压阀、混合器、试剂瓶，反应模块置于架子上，架子置于温控装置上，反应模块为加热模块和填充柱式反应模块组合，加热模块由上至下依次为顶盖、反应管路层、加热层，顶盖为高硼硅玻璃，加热模块两端以中间带凹槽的端盖将各层紧密结合固定，一侧端盖上设有供反应管路进出的出口和进口，同时还设有供加热设备和温控装置导线进出的接口，反应管路层下端为Kapton电加热膜，电加热膜以一铝块承载；填充柱式反应器，由上至下依次为填充式反应柱层、加热层，填充式反应柱层由填充式反应柱嵌在铝块内，所用的填充式反应柱为由石英制备的中空反应柱，填充式反应柱层下端为Kapton电加热膜，电加热膜以一铝块承载；加热模块的反应管路一端连通试剂瓶，另一端经高压泵后盘旋嵌在铝块上，反应管路出口与填充式反应柱的进样口相连通，反应管路出口连接背压阀，经过背压阀后排出反应液；温控装置采用两个连接贴片式热电偶的温控继电器，两个温控贴片分别置于反应管路层下端和填充柱式反应柱层下端。

将填充柱式反应器模块和加热模块串联起来，可实现缩醛水解和Knoevenagel缩合的连续流动合成。将苯甲醛二甲基缩醛（9mL），水（3mL），DMSO（20mL）的混合物泵入填充有催化剂（ZS-0.5）的反应柱内。从反应柱内流出的液体，与丙二腈（8mL）哌啶（4mL）和DMSO（20mL）的混合溶液分别泵入Y型混合器中，流出的液体通过加热模块，即可得到最终产物。反应柱和加热模块的温度分别为90℃和110℃，当流速为50 μL/min 时，最终产物的产率可达65%。

实施例6

单一使用低温模块进行反应：

液体输送模块包括高压泵、背压阀、混合器、试剂瓶，反应模块置于架子上，架子可拆卸地固定在温控装置上，反应模块为低温模块，由上至下依次为顶盖、反应管路层、制冷层，顶盖为高硼硅玻璃，低温模块两端以中间带凹槽的端盖将各层紧密结合固定，一侧端盖上设有供反应管路进出的出口和进口，同时还设有供低温设备和温控装置导线进出的接口，低温模块置于保温层中；反应管路一端连通试剂瓶，另一端经高压泵后盘旋嵌在铝块上，反应管路出口连接背压阀，低温装置采用一体成型的水冷片，向水冷片中通入循环冷凝水以便产生低温，温控装置采用连接贴片式热电偶的温控继电器，一端置于反应管路层下端，另一端置于温控装置的壳体内。

对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种多功能连续流动合成装置，包括液体输送模块、反应模块和/或温控模块，液体输送模块和反应模块相连通，其特征在于，所述反应模块包括加热反应模块、和/或低温反应模块、和/或光化学反应模块、和/或填充柱式反应模块、和/或电化学反应模块；各种反应模块可以单一使用，也可以依据实验需要选择两种或两种以上组合使用；

所述加热层放置加热设备；

所述制冷层放置降温设备；

所述温控模块设有温控装置控制反应管路层的温度。

2.根据权利要求1所述的多功能连续流动合成装置，其特征在于，所述填充柱式反应器由上至下依次为填充式反应柱层、加热层；所述填充式反应柱层由填充式反应柱嵌在基底块内；所述加热层放置加热设备。

3.根据权利要求1所述的多功能连续流动合成装置，其特征在于，所述电化学反应模块包括上层壳体和下层壳体，下层壳体内放置反应池，反应池内放置电极，上层壳体上设有电极插口，用以使电极穿过，下层壳体上设有流体入口，上层壳体上设有流体出口。

4. 根据权利要求1所述的一种多功能连续流动合成装置，其特征在于，所述顶盖为高硼硅玻璃；所述反应管路的材质为PTFE、PFA或FEP，所述反应管路的外径为1.6 mm，内径为0.8 mm。

5.根据权利要求1或2所述的一种多功能连续流动合成装置，其特征在于，所述加热设备为硅胶电加热膜，不锈钢电加热片，电阻丝，PTC加热板或电加热平台；所述降温设备为水冷片、半导体制冷片或液氮容器；所述温控装置为贴片式K型热电偶、RTD传感器、红外温度传感器、高温计、Langmuir探针或液体温度计。

6.根据权利要求1所述的多功能连续流动合成装置，其特征在于，所述光源为LED光、汞灯、钠灯或太阳光。

7.根据权利要求1或2所述的多功能连续流动合成装置，其特征在于，所述基材为铝块、不锈钢块、其他合金或硅制块体。

8.根据权利要求1所述的多功能连续流动合成装置，其特征在于，所述反应模块下方设置保温层。

9.根据权利要求1所述的多功能连续流动合成装置，其特征在于，所述液体输送模块包括高压泵、背压阀和混合器，所述混合器为Y型、T型或十字交叉型。

10.根据权利要求1所述的多功能连续流动合成装置，其特征在于，所述反应模块两端设有中间为凹槽的端盖，用以将反应模块的各层之间固定。