流動光(guang)氧(yang)化(hua)體(ti)系(xi)的(de)精細調(tiao)控與(yu)優化(hua)
圖(tu) 1. 選(xuan)定(ding)化(hua)合物1a作(zuo)為(wei)模型底(di)物的(de)光(guang)氧(yang)化(hua)反應通(tong)用流程裝(zhuang)置(zhi)示意(yi)圖。BPR：背壓調(tiao)節(jie)器(qi)；MFC：質(zhi)量(liang)流量控制器(qi)；P：註(zhu)射(she)泵(beng)；R1：采(cai)用紅色LED（610 nm）照(zhao)射(she)的(de)反應器(qi)盤管(guan)；R2：紅色LED（610 nm）照(zhao)射(she)的(de)玻(bo)璃模(mo)塊(kuai)
研究(jiu)團隊首先(xian)對(dui)比(bi)了自(zi)制（DIY）流動反應裝(zhuang)置(zhi)和(he)商(shang)用Corning® Advanced-Flow™ Lab Photo Reactor在(zai)模(mo)型(xing)烯烴 1a（壹種含(han)吖(a)啶環(huan)的(de)金剛烷(wan)基烯烴）光(guang)氧(yang)化(hua)反應中(zhong)的(de)表現。通(tong)過(guo)系(xi)統考(kao)察光(guang)敏劑(ji)亞(ya)甲(jia)基藍(lan)（MB）用量(liang)、停留(liu)時(shi)間、反應溫(wen)度、氧(yang)氣流速及(ji)LED光(guang)強（610 nm紅光(guang)）等參數(shu)。
DIY裝(zhuang)置(zhi)優(you)化(hua)結果：
圖(tu)2. DIY裝(zhuang)置(zhi)
在(zai)-5 °C，MB用量(liang)6 mol%，停留(liu)時(shi)間僅(jin)需(xu)50秒，即(ji)可實(shi)現烯烴 1a 的(de)轉(zhuan)化(hua)，目標(biao)產物1,2-二氧(yang)雜環(huan)丁烷 2a 的(de)產率(lv)高達94%，生產效率(lv)約1.4 g/h。相比(bi)之下(xia)，傳統間歇(xie)反應即(ji)使(shi)在(zai)-5°C下(xia)反應1小(xiao)時(shi)，產率(lv)僅34%。
Corning®反應器(qi)優化(hua)結果：
圖(tu)3. Corning® Advanced-Flow™ Lab Photo Reactor
進(jin)壹步(bu)優化(hua)後，在(zai)-5 °C，MB用量(liang)降(jiang)至(zhi)3 mol%，停留(liu)時(shi)間2分鐘(zhong)，產物 2a 產率(lv)提(ti)升(sheng)至(zhi)97%，生產效率(lv)約600 mg/h，且副(fu)產物（熱分解產物 3a 和 4a）得到(dao)有(you)效抑制（<3%）。
DIY裝(zhuang)置(zhi)和(he)Corning®反應器(qi)優化(hua)結果的(de)比(bi)較(jiao)：
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即(ji)使(shi)在(zai)兩(liang)種裝(zhuang)置(zhi)中(zhong) LED 功率(lv)相似，Corning®反應器(qi)中平面(mian)堆疊配(pei)置(zhi)（LED 面(mian)板安(an)裝在(zai)流體(ti)玻(bo)璃模(mo)塊(kuai)的(de)兩側(ce)）確保了(le)更(geng)均(jun)勻(yun)的(de)照(zhao)射(she)，從而獲得更(geng)高(gao)的(de)光(guang)子通(tong)量(liang)密(mi)度。
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此(ci)外，Corning®反應器(qi)的(de)玻(bo)璃模(mo)塊(kuai)中(zhong)集成(cheng)的(de)心形(xing)結構改(gai)善(shan)了(le)氣液混(hun)合(he)，相較(jiao)於(yu)自(zi)制(zhi)的(de) PFA 卷管(guan)裝(zhuang)置(zhi)，增(zeng)強了光(guang)氧(yang)化(hua)效率(lv)。
底物(wu)範(fan)圍探索(suo)：1,2-二氧(yang)雜環(huan)丁烷的(de)高效合(he)成(cheng)
基於(yu)優化(hua)的(de)流動條(tiao)件(jian)（通(tong)常為(wei)：底物(wu)濃度25mM，MB 3 mol%，CH₂Cl₂溶劑(ji)，液相流速1.25 mL/min，O₂流速1.25 mL/min或(huo)12.5 mL/min，-5°C，610 nm LED，10%或(huo)100%光(guang)強），研究(jiu)團隊考(kao)察了(le)不同結構烯烴的(de)[2+2]環(huan)加(jia)成(cheng)反應性(xing)能，其(qi)產率(lv)、轉(zhuan)化(hua)率(lv)與(yu)分解率(lv)。
流動條(tiao)件(jian)下(xia)含(han)金剛烷(wan)三環(huan)芳香烯烴的(de)光(guang)氧(yang)化(hua)反應
圖(tu)4. a 儲(chu)備(bei)液配(pei)制：將烯烴1a-d（25 mM）與(yu)亞(ya)甲(jia)藍(lan)（MB，3 mol%）溶於(yu)二氯甲(jia)烷(wan)（CH2Cl2）。溶液(ye)以(yi)1.25 mL/min流速泵(beng)入(ru)，氧(yang)氣以(yi)12.5 mL/min流速通(tong)入(ru)。反應體(ti)系(xi)采(cai)用紅色LED（610 nm）照(zhao)射(she)，反應器(qi)溫度設定(ding)為-5℃。
流動條(tiao)件(jian)下(xia)含(han)金剛烷(wan)烯烴的(de)光(guang)氧(yang)化(hua)反應
圖(tu)5. a儲(chu)備(bei)液配(pei)制：將烯烴8a-f (25 mM)與(yu)亞(ya)甲(jia)藍(lan)(MB，3 mol%)溶於(yu)二氯甲(jia)烷(wan)(CH₂Cl₂)中。溶液(ye)以(yi)1.25 mL/min流速進(jin)料(liao)，氧(yang)氣以(yi)12.5 mL/min流速通(tong)入(ru)。反應混(hun)合(he)物(wu)在(zai)紅色LED(610 nm，光(guang)強100%)照(zhao)射(she)下(xia)進(jin)行，反應器(qi)溫度維持(chi)在(zai)-5°C。
圖(tu)6 流動條(tiao)件(jian)下(xia)苯(ben)乙烯基(12)與(yu)苯乙炔(que)基取(qu)代二氫呋喃(nan)(13)的(de)光(guang)氧(yang)化(hua)反應.
總(zong)之(zhi)，這些結果表明，富(fu)電(dian)子(zi)的(de)烯烴主(zhu)要轉(zhuan)化(hua)為1,2-二氧(yang)烯，而當(dang)烯烴具(ju)有烯丙(bing)氫時(shi)，導致過(guo)氧(yang)化(hua)氫的(de)烯加(jia)成(cheng)反應可(ke)能(neng)是主要或競(jing)爭(zheng)反應。此(ci)外，烯烴取(qu)代基的(de)性(xing)質(zhi)（電(dian)子(zi)供(gong)體(ti)能(neng)力、氫鍵(jian)受(shou)體(ti)和(he)/或供(gong)體(ti)的(de)存(cun)在(zai)、幾(ji)何形(xing)狀(zhuang)和(he)立(li)體(ti)障(zhang)礙(ai)）不(bu)僅(jin)影響(xiang)單態(tai)氧(yang)加(jia)成(cheng)的(de)成(cheng)功，還(hai)決定了(le)反應路(lu)徑(jing)。
計(ji)算機模擬(ni)
洞悉(xi)反應活(huo)性(xing)與(yu)選擇(ze)性(xing)
對(dui)光(guang)氧(yang)化(hua)過(guo)程的(de)全(quan)面(mian)量子(zi)力學描述可以(yi)提(ti)供(gong)關(guan)於(yu)觀(guan)察(cha)到(dao)的(de)實驗趨(qu)勢(shi)的(de)有價(jia)值信息。作者(zhe)采(cai)用了(le)壹種基於(yu)單壹 ab-initio計(ji)算的(de)簡(jian)單化(hua)學計(ji)量學方(fang)法(fa)，應用於(yu)起始結構，以(yi)便從更(geng)大(da)的(de)化(hua)學結構領域收(shou)集實(shi)驗數(shu)據(ju)，朝著(zhe)開發(fa)通(tong)用光(guang)氧(yang)化(hua)模型的(de)方(fang)向邁(mai)進(jin)。因(yin)此(ci)，作者(zhe)僅考(kao)慮由最(zui)高占(zhan)據(ju)分子軌(gui)道（HOMO）和(he)低未(wei)占(zhan)分子軌(gui)道（LUMO）組成(cheng)的(de)電(dian)子(zi)描述符。
PCA在(zai)全(quan)數(shu)據(ju)集上的(de)結果分析
采(cai)用密(mi)度泛(fan)函(han)理論(lun)（DFT B3LYP/6-31G(d)）計(ji)算烯烴的(de)HOMO/LUMO能量(liang)、Mulliken電(dian)荷(he)、參(can)與(yu)反應雙(shuang)鍵原子的(de)HOMO/LUMO軌道系(xi)數(shu)等電(dian)子(zi)描述符。利用主(zhu)成(cheng)分分析（PCA）和(he)線性(xing)判(pan)別(bie)分析（LDA）構建(jian)化(hua)學計(ji)量學模(mo)型(xing)。
圖(tu)7. PCA在(zai)全(quan)數(shu)據(ju)集上的(de)結果圖示：A) PC1、PC2與(yu)PC3的(de)三維散點圖(tu) B) PC1與(yu)PC2的(de)二維散點圖(tu) C) PC1與(yu)PC3的(de)二維散點圖(tu) D) 各主(zhu)成(cheng)分的(de)方(fang)差(cha)解(jie)釋(shi)率(lv)
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對(dui)數(shu)據(ju)集進行了主(zhu)成(cheng)分分析（PCA），使(shi)用了(le)三(san)個主成(cheng)分 （PCs）。所(suo)得到(dao)的(de)模型(xing)能夠解釋(shi)前(qian)兩個主成(cheng)分中73.6%的(de)總(zong)方(fang)差(cha)，其(qi)中(zhong)第(di)壹個、第二個和第(di)三(san)個主成(cheng)分分別解(jie)釋(shi)了(le)32.3%、2 4.8%和(he)19.8%的(de)方(fang)差(cha)。
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PCA分析顯(xian)示反應性(xing)與(yu)非反應性(xing)烯烴在(zai)主(zhu)成(cheng)分空(kong)間(jian)中有壹定(ding)程度分離，但聚(ju)類不清晰(xi)。
線性(xing)判(pan)別(bie)分析（LDA）技術
作(zuo)者(zhe)深入(ru)進(jin)行更定(ding)量的(de)化(hua)學計(ji)量學研究(jiu)，並使(shi)用線(xian)性(xing)判(pan)別(bie)分析（LDA）技術對(dui)包(bao)含16種反應性(xing)和7種非(fei)反應性(xing)分子的(de)完整烯烴數(shu)據(ju)集進行分類任(ren)務。
圖(tu)8. 全(quan)烯烴數(shu)據(ju)集的(de)LDA結果
該LDA模型(xing)在(zai)由40種文(wen)獻報(bao)道的(de)吖啶(ding)類烯烴（28種反應性(xing)，12種非(fei)反應性(xing)）組成(cheng)的(de)獨(du)立(li)測試(shi)集(ji)上表現出(chu)良好的(de)預測(ce)能力，準(zhun)確率(lv)達到85% (34/40)。
模型(xing)預測錯誤的(de)分子通(tong)常具(ju)有易(yi)發生自由基副(fu)反應或(huo)淬滅(mie)光(guang)敏劑(ji)的(de)結構特(te)征(zheng)（如芐基位置(zhi)、萘(nai)基部分）。這為高(gao)通(tong)量(liang)篩(shai)選潛(qian)在(zai)光(guang)氧(yang)化(hua)底物提(ti)供(gong)了有價(jia)值的(de)理論(lun)指(zhi)導。
圖(tu)9. 測(ce)試(shi)集(ji)上線(xian)性(xing)判(pan)別(bie)分析(LDA)反應活(huo)性(xing)預測(ce)結果：A) LDA模型預(yu)測結果的(de)混(hun)淆(xiao)矩(ju)陣 B) 預(yu)測錯誤化(hua)合物的(de)分子結構（顏(yan)色對(dui)應實(shi)驗分類：紅色=無反應活(huo)性(xing)，綠(lv)色=有反應活(huo)性(xing)）
關(guan)註(zhu)公眾號(hao)
