Les avantages du Lucent360™ pour l’étude d’une réaction photochimique en batch et en chimie continu

Les possibilités d’étude de réactions de photochimie ne manquent pas.

Nous sommes heureux de partager avec vous une série d’expériences, réalisées avec le Lucent360™ pour l’étude d’une réaction photochimique en batch et en chimie continu.

Ces expériences ont été réalisées par les scientifiques d’HepatoChem et les chimistes* de l’IRCOF et d’Oril en France.

• *Philippe Jubault, Romain Lapierre, Thi Minh Thi Le et Thomas Poisson, IRCOF, Laboratoire COBRA UMR6014, Rouen, Normandie, France
• *Bruno Schiavi et Damien Thevenet Oril Industrie – Bolbec – Normandie – Affilié aux ” Laboratoires Servier “, France

Les chimistes ont réalisé une nouvelle réaction photochimique, en batch et en chimie continu avec le même système, le Lucent360™.

 

Figure 1 : Exemple de plans de travail utilisant le Lucent360™ avec un écran multi-lumière

Lucent360™ workflow example with the multi-light screener

 

Le Lucent360™ , système de photochimie versatil, comprend 5 modules LED interchangeables (4 modules latéraux et 1 module inférieur) pour immerger complètement, avec de la lumière, une chambre dans laquelle la température est contrôlée.

Chaque module LED, interchangeable, peut fonctionner soit à 365 nm, 380 nm, 405 nm et 450 nm, avec une intensité lumineuse variable.

 

Des porte-flacons également interchangeables, pour des flacons de 0,3 ml à 20 ml, s’adaptent à la chambre. Ils permettent, aux chimistes, de contrôler de 16 à 48 réactions à la fois et de sélectionner une température constante entre 0 °C et 80 °C.

Une expérience typique, avec un support standard pourrait ressembler à ceci : 4 LED latérales de 450 nm réglées à 100% d’intensité, avec la chambre à 30 °C, 24 flacons au total, contenant chacun 4 mL d’un ensemble de substrats et 24 catalyseurs différents (tableau 1).

Tableau 1 : Paramètres de l’expérience avec le Lucent360™ pour une expérience typique

Avec cet exemple, nous pouvons répondre rapidement à la question “quel catalyseur fonctionne le mieux ?” On peut mélanger et assortir une sélection de solvants, de bases, ou d’additifs…

 

Expériences de traitement multi-lumière

Le support d’écran multi-lumière sépare la lumière de chaque quadrant permettant ainsi, à chaque module de fonctionner indépendamment avec une même ou différente longueur d’onde, une même température et les mêmes conditions expérimentales.

Au lieu d’exécuter maintes fois des expériences en changeant les paramètres, le Lucent360™ permet d’obtenir plus d’informations sur chaque support.

Figure 2 : Dispositif de traitement multi-lumière

Étude de la réaction d’Arbuzov, en photochimie, avec le Lucent360™

Les chimistes d’Hepatochem ont décidé d’étudier la réaction d’Arbuzov en photochimie (Figure 3) : réaction d’un halogénure d’alkyle et d’un phosphite de trialkyle pour obtenir un phosphonate d’alkyle, réaction initialement réalisée en chimie continu par l’IRCOF et Oril.

Figure 3 : Réaction d’Arbuzov, en photochimie réalisée avec le système Lucent360™

 

Pour cette réaction, plusieurs étapes ont été réalisées :

Étape 1 :
Sélection de la longueur d’onde

Pour commencer, les chimistes devaient trouver la longueur d’onde et la concentration qui fonctionneraient le mieux.

Avec le Lucent360™, il est très simple de tester plusieurs longueurs d’onde en une seule expérience. Par exemple, il est possible de tester 16 conditions : 4 longueurs d’onde, 4 concentrations avec un contrôle de la température, en une seule fois.

Pour cette réaction d’Arbuzov, les réactions ont été faites dans le Lucent360™ équipé de 4 modules de lumière latérale différents (365 nm, 380 nm, 405 nm, 450 nm), réglés à 100% d’intensité.

Chaque réaction a été préparée dans une boîte à gants avec de l’acétonitrile barbotant dans des flacons à sertir de 4 ml avec des barreaux de 2×7 mm. Dans chaque quadrant, il y avait quatre conditions expérimentales étudiant 3 concentrations des 2 composants de couplage (0,05M, 0,1M, 0,2M iodoanisole) et un contrôle sans triéthylphosphite (p-iodoanisole (1 équiv.), triéthylphosphite (2 équiv.), triéthylamine (2 équiv.), dans 2 mL ACN).

Pour toutes ces expériences, les produits ont été identifiés par LC-MS avec quantification par DAD par rapport aux étalons d’étalonnage de l’anisole diéthylphosphate.

Tableau 2 : Sélection de la longueur d’onde (% de produit à 180 min) avec une intensité lumineuse à 100%.

Figure 4 : Évolution du temps pour les réactions à 0,1 M en fonction de la longueur d’onde.

Étape 2 :
Détermination de l’intensité de la lumière

Après avoir sélectionné 365 nm comme étant la meilleure longueur d’onde, les chimistes ont dû déterminer la quantité de lumière nécessaire pour obtenir une réaction optimale. Si la lumière est insuffisante, la vitesse de réaction risque de ne pas être idéale. De même, s’il y a trop de lumière, cela pourrait être aussi préjudiciable pour de nombreuses raisons : produits instables, matières premières, réactions secondaires, ou simplement pour limiter la durée de refroidissement nécessaire pour maintenir la température de la réaction constante.

Ils ont testé 16 réactions (quatre concentrations de réaction 0,05 M, 0,1 M, 0,2 M, 0,4 M) avec le Lucent360™ équipé de quatre modules latéraux de 365 nm réglés à 25, 50, 75, 100% d’intensité. Le flux de photons pour chaque intensité a été déterminé par actinométrie chimique.

Pour ces réactions, dans le Lucent360™, chaque quadrant correspond au flux de photons suivant (3,9×10-7 Einstein/s, 6,9×10-7 Einstein, 9,3×10-7 Einstein/s et 1,1 x10-6 Einstein/s,).

Les données que l’on peut obtenir dans une série d’expériences comme celle-ci comportent de nombreux aspects (produit final, impuretés, produit de départ restant, vitesse initiale de la réaction et rendement quantique). Les chimistes ont tout analysé.

Ce qui leur a sauté aux yeux, dans ces données, c’est un effet intéressant lorsqu’ils utilisent la vitesse initiale de chaque réaction, ainsi que les données d’actinométrie chimique pour déterminer le rendement quantique à chaque concentration et intensité lumineuse.

Pour chaque intensité lumineuse, le rendement quantique a une relation linéaire avec la concentration de la réaction (voir figure 5).

Tableau 3 : Formation du produit à 5 min avec une intensité lumineuse variable

Tableau 4 : Rendement quantique de chaque réaction déterminée à 5 minutes

Figure 5 : Rendement quantique en fonction de la concentration de la réaction basée sur le taux initial (5 min)

Étape 3 :
Température de contrôle

Après avoir déterminé la quantité de lumière nécessaire pour obtenir une réaction optimale, les chimistes ont utilisé la fonction de contrôle de la température Lucent360™, pour étudier cette réaction à des températures allant de 10 °C à 50 °C.

Ils ont utilisé le système équipé de quatre modules de lumière latérale de 365 nm à 100% d’intensité et ont surveillé l’évolution temporelle de chaque réaction.

Dans ce cas, ils ont observé très peu de différence dans la formation de produits en fonction de la température, tant au point initial qu’à 300 minutes. Cependant, les températures les plus élevées (40 et 50 °C) donnent une conversion significativement plus importante à 120 et 240 minutes.

Tableau 5 : Effet de la température sur la réaction

Seul le temps initial a été déterminé pour l’expérience à 10 °C

 

Étape 4 :
Mise à l’échelle en batch

Les tests de détection sont intéressants, mais pour la plupart des utilisateurs, l’objectif final est de pouvoir monter en échelle.

Les chimistes ont alors testé cette réaction de photochimie dans un réacteur de 500 mL (comprenant une entrée/sortie pour refroidir, une ligne entrée/sortie de gaz et une sonde de température et l’ont mis sous azote).

La réaction a été réalisée avec 5 modules lumineux réglés à 365 nm et à 100 %, à 50 °C, dans un réacteur de 700 mL, avec 23,4 g de p-iodoanisole correspondant à la condition de concentration de 0,2 M. Les résultats de la réaction ont été présentés dans le tableau ci-dessus.

Ils n’ont pas dépassé 50 °C car ils voulaient simplement montrer un exemple de mise à l’échelle d’une réaction, avec une intensité de lumières maximale et un contrôle la température.

Ils ont observé :

• 56% de produit à 5 heures (32,9% de produit de départ restant) – ~13,7 g de produit formé en 5 heures.
• 68% de produit à 22 heures (17% de produit de départ restant) – ~16.6 g de produit formé en 22 heures.

 

Étape 5 :
Mise à l’échelle en flow ?

Comme cette réaction fonctionne en batch, ils se sont demandé comment se présenterait-t-elle en flow ?

Les chimistes ont alors pris les paramètres qu’ils avaient établis à partir des réactions en batch, ainsi que certains temps de passage précédemment rapportés pour cette réaction en flow et ont testé le Lucent360™ avec le réacteur bobine de 20 mL.

Pour commencer, ils ont préparé un mélange de 40 ml de la réaction à l’échelle 0,2 M dans de l’acétonitrile barbotant. La réaction a été réalisée à 50 °C avec une lumière de 365 nm (5 quadrants) à une intensité lumineuse de 100%.

Le débit a été réglé à 6 ml/heure (temps de séjour de 190 min) et à 13 mL/heure (temps de séjour de 90 min). Des échantillons ont été prélevés au cours de l’analyse et dilués dans du DMSO pour l’analyse.

Des conversions similaires ont été observées pour les réactions faites en flow par rapport à celles faites en batch. Cependant, pour cette réaction spécifique, le long temps de résidence rend le débit en batch nettement supérieur à celui en flow.

Figure 6 : Comparaison des réactions en batch et en flow

 

Résumé

Avec le Lucent360™, système de synthèse très polyvalent, utilisant des modules LED interchangeables, des porte-flacons et un outil de criblage de la lumière, il est possible d’identifier des informations importantes concernant les paramètres de réaction nécessaires pour une montée en échelle à la fois en batch et en flow et ceci avec le même système.