一种光纤导光光化学反应装置的制作方法

本实用新型属于光化学反应装置领域，特别涉及一种光纤导光光化学反应装置。

背景技术：

光化学反应是指在外界光照射下发生的化学反应，到上世纪60年代光化学反应机理的研究已经比较成熟，并且光化学反应也应用于实际生产，如烃的硝酰化反应、光卤化反应等。直到最近几年，在该领域的可见光催化才有了巨大的突破，成为一个热门的研究领域，真正发展成为有机合成的一种实用方法。这类方法主要是通过引入一种吸收特定波长的光媒介催化剂，然后通过催化剂使光的能量通过氧化或者还原(单电子转移)方式来诱导或催化反应，这类光参与的反应可广泛应用于物理、化学和生物等多个学科。而目前所知道的这些光媒介的分子，都在特定较窄的波长范围内有最好的吸收。因此，选择性波段的光照射诱导反应是最理想的效果。

90年代以来，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功，使LED灯得到广泛的应用，目前市场上有各种颜色的LED灯，其中单色光可以从紫外到红外，部分光波区间可以控制在5nm以内，且此类光源成本便宜，可以作为短波长光照反应的理想光源。

光纤可以高效的传输光信号，在信息通讯领域应用广泛。光纤本身可以用来转移传递光的性能主要应用是光纤灯。光纤灯是以特殊高分子化合物做为芯材，以高强度透明阻燃工程塑料为外皮，可以保证在相当长的时间内不会发生断裂，变形等质量问题。光纤本身高强度，耐高温，高效传光的性质，可以作为理想的传光媒介。石英导光棒也可以作为光纤使用，具有透光率高，耐高温等优良特点。

现有的光反应装置都是将宽波谱的光源置于体系之中或者围绕体系之外，光源发热很大，温度不易控制。其带来的后果是：1.光的吸收效率低；2.发光发热同时产生，不利于反应的控制(常温反应还需要加装冷凝系统)，加热加压都受到光源本身耐受度的限制；3.相关的反应装置设置和操作复杂，无法用于实验室微量级别的反应。4.由于光效低，强光的泄露严重损害实验操作者或者生产者的眼睛。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种光纤导光光化学反应装置，其中光源和反应体系分离，通过光纤来导光，光源的发热不会影响反应体系，反应温度容易控制；反应光源能使用低成本的单色光源；能微型化成为微型集成体，在微反应体系中提供方便实用的光源；提高了光的使用效率。

本实用新型采用如下技术方案解决上述技术问题：

一种光纤导光光化学反应装置，包括光源、导光光纤和电源，其特征在于还包括透明套管、散热片、聚光杯和光源保护外壳，其中，所述光源与所述电源连接，所述散热片设于所述光源上，所述聚光杯设于所述光源与所述导光光纤的光入射端之间，所述导光光纤的另一端是导光光纤头，所述光源保护外壳设在所述光源和所述聚光杯外侧，所述透明套管的一端封闭，所述导光光纤头位于所述透明套管的封闭端内，所述导光光纤头连同所述透明套管的封闭端直接置于反应体系中。

本实用新型的一个优选技术方案是，如上所述的光纤导光光化学反应装置，其特征在于所述导光光纤头连同其外罩的透明套管的数目是一个或多个。

本实用新型的另一个优选技术方案是，如上所述的光纤导光光化学反应装置，其特征在于所述电源、所述光源、所述散热片、所述聚光杯和所述导光光纤能微型化并集成在所述透明套管中成为微型集成体。

本实用新型的另一个优选技术方案是，如上所述的光纤导光光化学反应装置，其特征在于所述导光光纤和所述透明套管能置于封闭耐压系统反应体系中，所述耐压包括能承受10个大气压以下压力。

本实用新型的又一个优选技术方案是，如上所述的光纤导光光化学反应装置，其特征在于所述光源为白炽灯、荧光灯、氙灯、无机发光二极管、有机发光二极管、单色光源、激光光源、高压汞灯以及低压汞灯中的一种。

本实用新型的又一个优选技术方案是，如上所述的光纤导光光化学反应装置，其特征在于所述电源与所述光源通过导线远程连接，所述电源为交流电源或直流电源。

本实用新型的又一个优选技术方案是，如上所述的光纤导光光化学反应装置，其特征在于所述透明套管的材质为玻璃、石英或其他透明材质。

本实用新型的又一个优选技术方案是，如上所述的光纤导光光化学反应装置，其特征在于所述导光光纤材料包括所有使传导的光产生全反射的材料。

本实用新型的有益效果在于：

一、相对于使用外置光源直接照射的反应体系，本实用新型的光纤导光光化学反应装置的光输出部分内置于反应体系中，整个系统的光损耗接近光纤的传输损耗，输出的光到反应体系的利用率能达到90％以上，10％为光纤传导损耗。并且，由于光大部分传导到体系中，因此不存在光泄露造成的对人体的伤害。

二、相对于将光源直接内置于光化学反应体系中的装置，本实用新型的光纤导光光化学反应装置的光源并没有直接放置在反应体系内，而是通过光纤将光输入反应体系中。这样不会出现光源在反应体系中发热的问题，在反应体系中不需要额外安装冷却系统。此外，本实用新型的光纤导光光化学反应装置也使得在高温、高压下的反应体系更为简单，只要在导光光纤和透明套管能承受的温度和压力下，都可以使用此套设备。当使用耐高温玻璃光纤时反应温度可以到达200℃以上。使用内置高压密封玻璃体系，可以在10个大气压下反应。

三、本实用新型的光纤导光光化学反应装置能够微型化并集成在玻璃套管中成为微型集成体，使用直流电池作为电源来供电，套管上可装配磨口或其它接口，能与常规的反应容器直接配合使用。依靠导光光纤可弯曲的特性，还可以将光源电源集成到体系外，便于设计可调的多功能的光源。

此外，本实用新型光纤导光光化学反应装置成本低廉，所有材料均在市场有销售，作为产品具有很强的实用性和价格竞争优势。

本实用新型的光纤导光光化学反应装置可用于物理器件制备、有机合成和生物合成等领域。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本实用新型的实施例一起，用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是根据本实用新型的光纤导光光化学反应装置的一个实施例的结构示意图。

图2是根据本实用新型的光纤导光光化学反应装置的一个实施例放在反应体系中的结构示意图。

图3是根据本实用新型的光纤导光光化学反应装置的一个优选实施例放在反应体系中的结构示意图。

图4是根据本实用新型的光纤导光光化学反应装置的另一个优选实施例放在反应体系中的结构示意图。

图5是根据本实用新型的光纤导光光化学反应装置的多光路反应器的实施例放在反应体系中的结构示意图。

图6是根据本实用新型的光纤导光光化学反应装置的另一个优选实施例放在封闭耐压反应体系中的结构示意图。

图中的符号分别代表：

1.透明套管；2.散热片；3.光源；4.聚光杯；5.光源保护外壳；6.导光光纤；7.导光光纤头；8.电源；9.反应体系；10.整个电源和光源体系。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例

本实用新型的一个实施例，如图1所示的一种光纤导光光化学反应装置，包括光源3、导光光纤6和电源8，其特征在于还包括透明套管1、散热片2、聚光杯4和光源保护外壳5，其中，所述光源3与所述电源8连接，所述散热片2设于所述光源3上，所述聚光杯4设于所述光源3与所述导光光纤6的光入射端之间，所述导光光纤6的另一端是导光光纤头7，所述光源保护外壳5设在所述光源3和所述聚光杯4外侧，所述透明套管1的一端封闭，所述导光光纤头7位于所述透明套管1的封闭端内，所述导光光纤头7连同所述透明套管1的封闭端直接置于反应体系中。在该配置下，可根据配套的反应装置来设置相应的接口，光源3可以是不同的LED灯珠，可根据需要来选择光的颜色或波长。电源8是直流电源。该实施例中的光纤导光光化学反应装置可以被微型化并集成在玻璃套管中成为微型集成体，使用直流电池作为电源来供电，套管上可装配磨口或其它接口，能与常规的反应容器直接配合使用。

根据上述实施例的一种光纤导光光化学反应装置放在反应体系中，如图2所示，还包括反应体系9，其中将本实用新型的反应装置中的透明玻璃套管设计成配套磨口，直接匹配相对应的磨口烧瓶进行光照催化的反应。图中，与光源3的灯珠直接连通的是恒流电源8，该恒流电源8可直接与交流电相接。此方法与通过直流电池作为电源的体系相比较，适合长时间光照的工作状态。

根据上述实施例的一种光纤导光光化学反应装置放在反应体系中，如图3所示，其中将恒流电源外置，一般使用可调恒流电源。图3中配置可以通过调节输出电流来控制光的强度，以匹配实际使用对光需要。

根据上述实施例的一种光纤导光光化学反应装置放在反应体系中，如图4所示，其中10为整个电源和光源体系，通过光纤导光，可以将整个光源体系外接，而将套管接口和光纤出口一起绑定到反应所需要的装置中。此条件一般适用于，大型光源或者固定光源。此类光源可以通过光纤将光导入到反应体系中。图4中所示为LED光源，实际使用中并不局限于LED光源，可以是其它任何发光光源。

根据上述实施例的一种光纤导光光化学反应装置的多光路反应器的实施例放在反应体系中，如图5所示，其中显示将光源外置后可以通过多路光纤对反应装置进行多点照射。光源可以是单一光源通过光纤分成多路入射光。也可以是多个光源，通过光纤将光引入反应体系。图5中，光纤出口采用套管形式，可以按照实际情况设计成任何形状。

根据本实用新型的光纤导光光化学反应装置的另一个优选实施例放在封闭耐压反应体系中，如图6所示，为耐压光催化封管反应装置，该反应装置能在一定压力下使用，使体系与外界环境完全隔离开，减少空气中的水和氧气对反应的影响。

以下用实验数据说明本实用新型的光纤导光光化学反应装置的实际使用效果。

具体实施以经典的有机化学反应作为对比，在低功率下反应，效果良好。传统反应一般用15-100W灯泡照射。需要载气保护的反应，产率也良好。

实例1：在低功率光照条件下反应

向一个圆底烧瓶中加入4-甲氧基苯硼酸(154mg,1.0mmol)、Ru(bpy)3Cl2Ru(bpy)3Cl2(12.8mg,2mol％)、DMF(10.0mL)、iPr2NEt(0.5mL,3.0mmol)和水(18μL,1.0mmol)。将溶液敞口放置在通风橱内，边搅拌边用蓝光照射。

反应完全后，用10％HCl淬灭反应。然后用乙酸乙酯萃取，干燥，过滤，旋转干燥得到粗产物，然后用色谱法提纯得到产物。

实验结果如下：

实例2：低功率光照条件下反应

向一个圆底烧瓶中加入苯硼酸、Ru(bpy)₃Cl₂(12.8mg,2mol％)、DMF(10.0mL)、iPr2NEt(0.5mL,3.0mmol)和水(18μL,1.0mmol)。将溶液敞口放置在通风橱内，边搅拌边用蓝光照射。

反应完全后，用10％HCl淬灭反应。然后用乙酸乙酯萃取，干燥，过滤，旋转干燥得到粗产物，然后用色谱法提纯得到产物。

实验结果如下：

实例3：经载气(N₂)保护的反应

在一个100mL的圆底烧瓶中加入Ru(bpy)3Cl2(16mg,0.025mmol,0.01当量)，CBr₄(1.658g,5mmol,2当量)，NaBr(0.514g,5mmol,2当量)和干燥的DMF。然后搅拌5分钟至固体全部溶解。然后用蓝光照射0.5小时，加入底物(2.5mmol,1.0当量)，在搅拌下用蓝光照射24小时。

反应完全后，用乙酸乙酯萃取，干燥，过滤，旋转干燥得到粗产物，然后用色谱法提纯得到产物。

实验结果如下：

实例4：耐压瓶实验：

向装有光化学反应器的耐压反应瓶中加入Ru(bpy)₃Cl₂(12.8mg,0.02mmol,0.01当量)和溶剂二甲基甲酰胺，混合溶液搅拌5分钟至全部溶解。溴代丙二酸二乙酯(0.956g,4.0mmol,2当量)加入到反应器中，像体系中注入氧气后密封。混合液继续搅拌0.5小时，然后打开功率为3.0W的440-445nm LED蓝光光源，并且加入苯乙烯(0.229mL,2.0mmol,1.0当量)，保持以上光照反应条件搅拌24小时。反应完全后，向体系中加入水(10ml)和乙酸乙酯(10mL)，分液，萃取，干燥，过滤，旋转干燥得到粗产物，然后用色谱法提纯得到产物。(70mg,12.6％).¹HNMR(300MHz,CDCl₃)-δ7.99(m,2H),7.58(m,2H),7.45(m,1H),4.27(m,10H),4.06(t,1H),2.36(d,2H)。

本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。