Etude expérimentale et modélisation d'une réaction de photooxygénation avec sensibilisateur soluble ou supporté dans des photoréacteurs continus milli-structurés éclairés par des LED

La photochimie préparative est un outil puissant en synthèse organique, donnant accès à des produits de haute complexité moléculaire, souvent en une étape. Parmi le vaste portefeuille de réactions photochimiques, on distingue les photooxygénations sensibilisées qui mettent en jeu l’oxygène singulet généré par photosensibilisation du dioxygène via l’utilisation d’un colorant. Malgré leurs fortes potentialités, leur transposition industrielle demeure limitée, essentiellement à cause de verrous scientifiques et technologiques. Aujourd’hui, les technologies microstructurées continues éclairées par des LED offrent des avantages majeurs (meilleure pénétration de la lumière, illumination homogène des surfaces optiques, contrôle aisé du temps d’irradiation, plus grande flexibilité en termes de dimensionnement). Or, à ce jour, peu de travaux portant sur l’étude de la photooxygénation dans ces nouvelles technologies existent, en particulier avec une approche de génie des photoréacteurs. Dans ce contexte, ce doctorat vise à étudier la photooxygénation de l’-terpinène en ascaridole, avec un solvant vert (éthanol) et un sensibilisateur d’intérêt industriel (rose de Bengale), dans des photoréacteurs continus milli-structurés. Les objectifs sont de comprendre l’influence des conditions opératoires sur les rendement et sélectivité, et d’apporter des outils de modélisation en vue de proposer une stratégie de changement d’échelle. Pour cela, trois milli-photoréacteurs éclairés par des LED visible ont été considérés : le photoréacteur de Vapourtec®, un photoréacteur spiralé conçu au LGC et le Photo Réacteur G1 de Corning®. Dans un premier temps, un protocole révisé de la méthode actinométrique utilisant le sel de Reinecke a été proposé pour déterminer le flux de photons incident, donnée essentielle pour la modélisation. Par la suite, il a été appliqué dans le photoréacteur spiralé, où un modèle simple a permis d’estimer cette grandeur. Dans un deuxième temps, à partir de considérations mécanistiques, la loi cinétique de la photooxygénation a été rigoureusement établie. Son expression a permis d’identifier les paramètres opératoires pouvant potentiellement influencer le taux de conversion. Par la suite, les expériences réalisées à l’échelle du laboratoire et à la méso-échelle, ont montré que, dans chaque photoréacteur, des conditions opératoires pouvaient être définies, conduisant à des conversions complètes et sélectives, tout en minimisant la photo-dégradation du rose de Bengale. Il a été ensuite proposé un modèle de représentation 1D prenant en compte le caractère quasi-Lambertien d’émission des LED, et la réflexion de la lumière à la surface optique arrière du photoréacteur. Ce modèle, même s’il a vocation à être affiné, est un outil intéressant pour formaliser le couplage des phénomènes impliqués, mais aussi pour analyser et estimer les cinétiques aux différentes échelles de productivité. Enfin, la photooxygénation de l’-terpinène a été conduite avec des photosensibilisateurs supportés transportés par la phase liquide au sein des photoréacteurs millistructurés continus. Constituées d’un réseau polymérique dans lequel sont greffées les molécules de rose de Bengale, ces nanoparticules photosensibles sont des microgels (~ 300 nm) qui ont donc la capacité de gonfler dans l’éthanol. Les résultats obtenus sont très prometteurs, démontrant une capacité à convertir efficacement, à réduire la photodégradation du rose de Bengale et à être réutilisable après plusieurs cycles de photooxygénation. Ces microgels photosensibles ouvrent donc des perspectives très intéressantes pour une conduite, énergétiquement efficace et économe en atomes, des réactions de photooxygénation en phase hétérogène dans les technologies milli-structurés continues éclairés par des LE

Photooxygenation in an advanced led-driven flow reactor module: experimental investigations and modelling

The photooxygenation of  α-terpinene was investigated as a benchmark reaction in an advanced LED-driven flow reactor module, both from an experimental and modelling point of view. Ethanol was used as a green solvent and rose Bengal was chosen as a cheap sensitizer of industrial importance. Firstly, the kinetic law based on all mechanistic steps was established for the chosen photooxygenation. From this, the set of operating parameters potentially influencing the photoreaction rate were identified. Subsequently, experiments were carried out under continuous-flow conditions to screen these operating parameters, namely concentration of α-terpinene, concentration of photosensitizer, residence time, structure of the segmented gas-liquid flow and nature of the reagent gas phase (air versus pure oxygen). Finally, the conditions enabling minimization of sensitizer bleaching were established. It was also shown that the hydrodynamic characteristics of the gas-liquid flow can have an effect on the conversion levels. From this, a simplified model was proposed to predict the conversion at the reactor’s outlet when pure oxygen was used

A revised experimental protocol for implementing the actinometry method with the Reinecke’s salt

The present short note aims at proposing a revised experimental protocol to implement the actinometry method with Reinecke’s salt. It consists in substituting - for the dosing of the thiocyanate anions produced - perchloric acid (HClO4) by nitric acid (HNO3) - the latter being carefully chosen regarding the chemical equilibria occurring in the aqueous medium and the moderate risks of HNO3. This substitution has been rigorously validated by carrying out the experiments in a dedicated torus batch photoreactor enabling simple treatment of experimental results from a one-dimensional model

Experimentation and modelling of a sensitized photooxygenation in continuous LED-driven microstructured photoreactors

La photochimie préparative est un outil puissant en synthèse organique, donnant accès à des produits de haute complexité moléculaire, souvent en une étape. Parmi le vaste portefeuille de réactions photochimiques, on distingue les photooxygénations sensibilisées qui mettent en jeu l’oxygène singulet généré par photosensibilisation du dioxygène via l’utilisation d’un colorant. Malgré leurs fortes potentialités, leur transposition industrielle demeure limitée, essentiellement à cause de verrous scientifiques et technologiques. Aujourd’hui, les technologies microstructurées continues éclairées par des LED offrent des avantages majeurs (meilleure pénétration de la lumière, illumination homogène des surfaces optiques, contrôle aisé du temps d’irradiation, plus grande flexibilité en termes de dimensionnement). Or, à ce jour, peu de travaux portant sur l’étude de la photooxygénation dans ces nouvelles technologies existent, en particulier avec une approche de génie des photoréacteurs. Dans ce contexte, ce doctorat vise à étudier la photooxygénation de l’-terpinène en ascaridole, avec un solvant vert (éthanol) et un sensibilisateur d’intérêt industriel (rose de Bengale), dans des photoréacteurs continus milli-structurés. Les objectifs sont de comprendre l’influence des conditions opératoires sur les rendement et sélectivité, et d’apporter des outils de modélisation en vue de proposer une stratégie de changement d’échelle. Pour cela, trois milli-photoréacteurs éclairés par des LED visible ont été considérés : le photoréacteur de Vapourtec®, un photoréacteur spiralé conçu au LGC et le Photo Réacteur G1 de Corning®. Dans un premier temps, un protocole révisé de la méthode actinométrique utilisant le sel de Reinecke a été proposé pour déterminer le flux de photons incident, donnée essentielle pour la modélisation. Par la suite, il a été appliqué dans le photoréacteur spiralé, où un modèle simple a permis d’estimer cette grandeur. Dans un deuxième temps, à partir de considérations mécanistiques, la loi cinétique de la photooxygénation a été rigoureusement établie. Son expression a permis d’identifier les paramètres opératoires pouvant potentiellement influencer le taux de conversion. Par la suite, les expériences réalisées à l’échelle du laboratoire et à la méso-échelle, ont montré que, dans chaque photoréacteur, des conditions opératoires pouvaient être définies, conduisant à des conversions complètes et sélectives, tout en minimisant la photo-dégradation du rose de Bengale. Il a été ensuite proposé un modèle de représentation 1D prenant en compte le caractère quasi-Lambertien d’émission des LED, et la réflexion de la lumière à la surface optique arrière du photoréacteur. Ce modèle, même s’il a vocation à être affiné, est un outil intéressant pour formaliser le couplage des phénomènes impliqués, mais aussi pour analyser et estimer les cinétiques aux différentes échelles de productivité. Enfin, la photooxygénation de l’-terpinène a été conduite avec des photosensibilisateurs supportés transportés par la phase liquide au sein des photoréacteurs millistructurés continus. Constituées d’un réseau polymérique dans lequel sont greffées les molécules de rose de Bengale, ces nanoparticules photosensibles sont des microgels (~ 300 nm) qui ont donc la capacité de gonfler dans l’éthanol. Les résultats obtenus sont très prometteurs, démontrant une capacité à convertir efficacement, à réduire la photodégradation du rose de Bengale et à être réutilisable après plusieurs cycles de photooxygénation. Ces microgels photosensibles ouvrent donc des perspectives très intéressantes pour une conduite, énergétiquement efficace et économe en atomes, des réactions de photooxygénation en phase hétérogène dans les technologies milli-structurés continues éclairés par des LEDOrganic photochemistry becomes a key synthesis pathway for sustainable chemistry thanks to its ability to address molecular complexity and diversity with a “flick of a switch”, often in one step. Sensitized photooxygenations are particularly attractive: singlet oxygen 1O2 is here generated by photosensitization of the triplet molecular oxygen 3O2, most often in the visible range with catalytic amounts of an organic sensitizer (dye). Despite the several advantages, these reactions have not found widespread implementations in the chemical industry, mainly due to currently available technology based on outdated batch reactors (poor light penetration, high dilution) equipped with energy demanding mercury lamps (intensive cooling and optical filter needs). In that way, continuous flow microstructured technologies have recently emerged as alternatives to batch processing and their suitability for photoreactions has been highlighted; the combination with narrowly emitting LED light sources additionally enables energy savings, increased yields and selectivity. At present, however, there are few attempts to understand these benefits using a chemical engineering perspective. In keeping with this context, this thesis investigates photooxygenation in different continuous-flow microreactor devices with the aim at (i) understand how and why the operating conditions can affect the yield and the selectivity; and (ii) providemodelling tools for defining a methodology for smart scale-up. For that, three types of LED-driven microreactors were considered: the Vapourtec® photoreactor, the home-made spiral-shaped photoreactor and the advanced-flow G1 photoreactor from Corning®. As a case of study, the photooxygenation of -terpinene into ascaridole was selected, in the sustainable solvent ethanol and using rose Bengal as a sensitizer of industrial interest. In a first step, a revised protocol of actinometry using the Reinecke’s salt (visible domain) was proposed to measure the incident photon flux (i. e the one arriving at the reactor surface). It was successfully implemented in the spiral-shaped microreactor, and based on simplified 1D model, this parameter could be estimated. Secondly, the kinetic law based on all mechanistic steps was established for the chosen reaction. From this, the set of operating conditions potentially influencing the photoreaction rate were identified. Subsequently, experiments with soluble Rose Bengal were carried in both lab-scale and meso-scale microreactors, enabling to cover a large operating window and thus to collect an important database. Whatever the continuous-flow reactors, the conditions enabling minimization of sensitizer bleaching while achieving quantitative conversion were identified. A 1D model of representation, taking into account the Lambertian nature source and the potential reflection at the back optical surface, was proposed. It enabled to formalize the different coupled phenomena, to analyze and estimate the experimental trends at different scales. Finally, the photooxygenation of -terpinene was performed under continuous-flow with solid-supported sensitizer. The latter consisted in photoactive microgels (~300 nm) transported by the liquid phase: the sensitizer Bengal rose was grafted on a polymer matrix that had the ability to swell into water or alcoholic solvents and thus induced a decrease of their average refraction index. The underlying idea was to test a new-resource efficient photochemical synthesis concept that could circumvent the downstream separation processes and also protect the sensitizer from its ability to photodegrade during the irradiation time. The implementation of these photoactive microgels lead to very promising results, in terms of both conversion, bleaching reduction and reusability, and thus offer very interesting perspectives for supported photooxygenation in the future

Continuous flow Reductive Alkylation of Methanol by Aldehydes. Synthesis of O-Methyl Ethers and 1,1-Dimethoxyacetals

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A revised 1D equivalent model for the determination of incident photon flux density in a continuous-flow LED-driven spiral-shaped microreactor using the actinometry method with Reinecke's salt

International audienceContinuous-flow microstructured technologies are now recognized as promising alternatives to batch processing for organic photochemistry, especially when light emitting diodes (LEDs) are employed as light sources. To evaluate and optimize productivity and energetic efficiency, the knowledge of the incident photon flux density is crucial. In this context, the objectives of the present work are dual: first, to transfer the classical actinometry method with Reinecke’s salt to a continuous-flow LED-driven spiral-shaped reactor and, second, to propose a revised one-dimensional equivalent model for the accurate determination of the incident photon flux density in this microreactor. Experimental measurements were carried out under controlled conditions. The effects of the spectral domain and radiant power emitted, the tubing length, the presence of gas-liquid Taylor flow, and the material of the support plate were especially investigated. For this purpose, an expression was established for the revised one-dimensional Cartesian model, taking into account the diffuse emission of the LED array and the reflection induced by the material of the plate in which the tubing was inserted (i.e. the reflection by the backside of the microreactor wall). In this way, the incident photon flux density could be estimated with an acceptable level of accuracy, which was not the case if the usual one-dimensional (1D) model was applied (collimated emission and no reflection)

LED-driven spiral-shaped microreactor as a tool to investigate sensitized photooxygenations

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LED-driven spiral-shaped microreactor as a tool to investigate sensitized photooxygenations

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Efficient Photooxygenation Process of Biosourced α-Terpinene by Combining Controlled LED-Driven Flow Photochemistry and Rose Bengal-Anchored Polymer Colloids

International audienceThis work studies the reactivity of poly(N-vinylcaprolactam-co-vinyl acetate-co-vinylbenzyl Rose Bengal) microgels (VBRB@MG) as heterogeneous photosensitizers in a continuous-flow process for sustainable singlet oxygen sensitized photooxygenation of a bio-based molecule. Experiments were carried out in a LED-driven spiral-shaped microreactor in which slurry Taylor flows were generated, allowing accurate control of irradiation, light absorption and gas-liquid flow conditions. The benchmark photooxygenation of -terpinene was implemented in ethanol to provide a green solvent using air as a safe supply of oxygen. Swollen RB-grafted colloids formed an efficient substrate for converting -terpinene into ascaridole, providing up to high conversion with high selectivity under continuous-flow conditions, and within short residence times of a few minutes. The supported RB exhibited a reactivity similar to that of the free RB. The reactivity of the supported photosensitizer was maintained for several cycles with a reproducible level after 8 months of storage. Under experimental conditions favouring photobleaching of RB, the photobleaching level of RB was lower with the VBRB@MG colloids than with free RB, suggesting that grafting RB molecules onto the colloid can prevent their photodegradation. KEYWORDS Flow photochemistry. Singlet oxygen. Photoactive polymer colloids. Green conditions. Rose Bengal. Alpha-terpinene

Integrated continuous-flow photooxygenation processes with solid-supported sensitizers for the safe and sustainable production of fine chemicals and pharmaceuticals (PICPOSS)

PICPOSS is a multidisciplinary and multiinstitutional research project on "integrated continuous-flow photooxygenation processes with solid-supported sensitizers for the safe and sustainable production of fine chemicals and pharmaceuticals" funded by the French Research Agency ANR under its Collaborative Research Project program. PICPOSS consists of five partner organizations, four from France and one from Australia