Flash Chemistry Extensively Optimized: High-Temperature Swern–Moffatt Oxidation in an Automated Microreactor Platform

Authors

  • Pieter J. Nieuwland,

    1. Institute for Molecules and Materials, Radboud University Nijmegen, Heyendaalseweg 135, NL-6525 AJ Nijmegen (The Netherlands), Fax: (+31) 24-36-53393
    Search for more papers by this author
  • Kaspar Koch,

    1. Institute for Molecules and Materials, Radboud University Nijmegen, Heyendaalseweg 135, NL-6525 AJ Nijmegen (The Netherlands), Fax: (+31) 24-36-53393
    Search for more papers by this author
  • Noud van Harskamp,

    1. Institute for Molecules and Materials, Radboud University Nijmegen, Heyendaalseweg 135, NL-6525 AJ Nijmegen (The Netherlands), Fax: (+31) 24-36-53393
    Search for more papers by this author
  • Ron Wehrens,

    1. Institute for Molecules and Materials, Radboud University Nijmegen, Heyendaalseweg 135, NL-6525 AJ Nijmegen (The Netherlands), Fax: (+31) 24-36-53393
    Search for more papers by this author
  • Jan C. M. van Hest Prof. Dr.,

    1. Institute for Molecules and Materials, Radboud University Nijmegen, Heyendaalseweg 135, NL-6525 AJ Nijmegen (The Netherlands), Fax: (+31) 24-36-53393
    Search for more papers by this author
  • Floris P. J. T. Rutjes Prof. Dr.

    1. Institute for Molecules and Materials, Radboud University Nijmegen, Heyendaalseweg 135, NL-6525 AJ Nijmegen (The Netherlands), Fax: (+31) 24-36-53393
    Search for more papers by this author

Abstract

The generally accepted benefits of small lateral dimensions of microreactors (1 μm to 1 mm) enable a different way of performing synthetic chemistry: Extremely short contact times in the millisecond range can circumvent the need for performing highly exothermic and fast reactions at very low temperatures. In order to fully exploit this technology, such fast processes need to be redesigned and investigated for optimal reaction conditions, which can differ drastically from the ones traditionally applied. In a comprehensive study, we optimized the selective Swern–Moffatt oxidation of benzyl alcohol to benzaldehyde by varying five experimental parameters, including reaction time and temperature. Employing an ultrashort mixing and reaction time of only 32 ms, the optimal temperature was determined to be 70 °C, approximately 150 °C higher than in the conventional batch conditions. This remarkable difference shows both the potency of continuous-flow chemistry as well as the urgency of a paradigm shift in reaction design for continuous-flow conditions.

Abstract

De algemeen geaccepteerde voordelen van de zijdelingse dimensies van microreactoren (1 µm tot 1 mm) maken een nieuwe manier van het uitvoeren van synthetische reacties mogelijk: extreem korte contacttijden in de orde van milliseconden kunnen de noodzaak van het uitvoeren van zeer exotherme reacties bij lage temperaturen omzeilen. Om deze technologie ten volle te benutten, moeten dergelijke snelle processen opnieuw worden ontworpen, en moet opnieuw worden gezocht naar optimale reactiecondities, die nu drastisch kunnen verschillen van de conventionele omstandigheden. In een uitgebreide studie hebben we de selectieve Swern–Moffatt oxidatie van benzylalcohol naar benzaldehyde geoptimaliseerd door vijf experimentele parameters te variëren, waaronder reactietijd en temperatuur. Door gebruik te maken van zeer korte meng- en reactietijden, zoals 32 ms, is vastgesteld dat de optimale reactietemperatuur 70 °C bedraagt, ongeveer 150 °C hoger dan onder gebruikelijke condities. Dit opmerkelijke verschil reflecteert enerzijds het potentieel van flowchemie, maar toont anderzijds ook de noodzaak aan van een drastische verandering in denkwijze bij het ontwerpen van continue flowchemie.

Ancillary