摘 要
超分子化學成果廣泛應(yīng)用于生化、材料、藥物等領(lǐng)域，在可持續(xù)發(fā)展中潛力巨大。
英國利物浦大學物理科學學院化學與材料創(chuàng)新工廠的Anna教授團隊，通過深入調(diào)研當前超分子化學領(lǐng)域的最新連續(xù)流生產(chǎn)技術(shù)，并在《Flow Chemistry 2024》上發(fā)表了他們的調(diào)研成果——“連續(xù)流動技術(shù)：實現(xiàn)可持續(xù)超分子化學的賦能科技"。
讓我們跟隨Anna教授團隊的腳步，一同踏入連續(xù)流動技術(shù)與超分子化學交織的奇妙領(lǐng)域。
流動化學在超分子化學研究進展
01
溶劑，反應(yīng)效率和能源使用優(yōu)化
•超分子化學溶劑需求與合成挑戰(zhàn)：超分子化學實驗常伴隨大量有機溶劑的連續(xù)使用，且大環(huán)合成需特殊條件，例如極低濃度以防低聚物生成。
•微通道反應(yīng)器優(yōu)勢：該技術(shù)在超分子化學中展現(xiàn)優(yōu)勢，能迅速精確調(diào)控反應(yīng)溫度、時間及混合強度，從而提升大環(huán)選擇性，有效減少低聚物副產(chǎn)物。
案例1：優(yōu)異原子經(jīng)濟性
貝達爾等人研究成果：通過流動化學技術(shù)，貝達爾團隊成功合成了高濃度（0.1M）的大環(huán)狀脂質(zhì)，遠超傳統(tǒng)批處理方法的濃度（2x10-4M），同時保持了高產(chǎn)率、高選擇性和優(yōu)異的原子經(jīng)濟性。
超分子化學中新分子的合成和主客體識別研究
案例2：流動合成結(jié)合溶劑回收，減少結(jié)晶溶劑使用
Ferran等人使用流動合成偽肽大環(huán)，具有更好的E因子和高產(chǎn)率。
實驗中融合流動路徑與蒸餾，結(jié)晶與溶劑回收同步進行，產(chǎn)率激增20倍，環(huán)境負擔減半，遠超傳統(tǒng)批處理。
此研究中引入固體支撐堿，進一步縮減試劑需求。
Ferran等人創(chuàng)新提出“大環(huán)化環(huán)境影響"（MEI）作為可持續(xù)性評估工具，融入反應(yīng)器時間與體積至MEI因子中，并成功應(yīng)用于批處理及流動大環(huán)化反應(yīng)系列。
MEI來解決大環(huán)化反應(yīng)的可持續(xù)性問題
在涵蓋的9個研究過程中，有8個實例顯示：
流動合成的MEI顯著低于批處理過程。這一優(yōu)勢主要歸因于流動合成的高產(chǎn)率、溶劑使用量的顯著減少，以及由于反應(yīng)時間縮短而帶來的更高生產(chǎn)率。
對于無需高稀釋條件即可合成的材料而言，溶劑的顯著減少尤為有利，尤其是在考慮工藝放大至生產(chǎn)規(guī)模時，這一優(yōu)勢更為突出。
02
流動化學促進在金屬有機骨架和多孔材料合成的成本效益與可持續(xù)性
案例3. MOF-88合成的成本優(yōu)化與能源效率
Bagi等人高效合成MOF-88
Bagi等人的研究表明，在流動反應(yīng)器中合成MOF-88時：
N，N-二甲基甲酰胺和甲酸的需求分別大幅減少了84%和67%，生產(chǎn)率翻倍。
溶劑使用的顯著減少進一步降低了每克產(chǎn)品的材料成本至約3美元。
流動過程中的高效熱傳遞和背壓調(diào)節(jié)器應(yīng)用，使得溶劑溫度提升，反應(yīng)速率加快，反應(yīng)時間縮短，展現(xiàn)了流動化學在降低生產(chǎn)成本和提升能源效率方面的巨大潛力。
案例4. 多孔有機籠CC1的動態(tài)流動合成優(yōu)勢
Briggs等人通過流動化學方法，在100°C，僅需10分鐘停留時間便成功合成了多孔有機籠CC1：
多孔有機籠的動態(tài)流動合成
結(jié)果顯示：
•相比批處理中的0°C和3天反應(yīng)時間，效率顯著提升。
•溶劑需求減少約4倍，且產(chǎn)量和純度保持不變。
•流動合成中更短的反應(yīng)時間和更高的濃度、產(chǎn)率，使得CC1的MEI遠低于批處理過程。
案例5. 連續(xù)流加速多孔有機鹽結(jié)晶過程：
O'Shaughnessy 等人將結(jié)晶多孔有機鹽的結(jié)晶時間縮短至驚人的35秒，并同時提高了晶體的純度。
Traxler 等人最近證明了連續(xù)生產(chǎn)結(jié)晶共價有機框架的能力，其生產(chǎn)率大于 1 克/小時。
單晶共價有機骨架的連續(xù)流動合成
通過減少溶劑使用、提高反應(yīng)速率和生產(chǎn)率，以及潛在的能源效率提升，流動化學為綠色化學和可持續(xù)材料科學的發(fā)展開辟了新的途徑。
未來，隨著技術(shù)的不斷進步和成本的進一步降低，流動化學有望在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用。
03
流動化學在新反應(yīng)優(yōu)化中的前沿探索
案例6. 流動化學在復雜反應(yīng)高效優(yōu)化中的突破
流動化學不僅優(yōu)化了傳統(tǒng)批處理難以實現(xiàn)的反應(yīng)條件，如Jones等人通過流動合成實現(xiàn)大環(huán)分子鉸鏈的高產(chǎn)率與高選擇性，還通過UPLC-MS在線分析提供了實時反饋，加速了反應(yīng)優(yōu)化過程，減少了資源消耗。
不同類型拓展卟啉的連續(xù)高效合成
此外，流動化學還揭示了如卟啉合成等傳統(tǒng)低收率反應(yīng)的新路徑，通過精確控制條件實現(xiàn)了高溫下的大規(guī)模高效合成。
案例7. 實驗設(shè)計與流動化學協(xié)同推進可持續(xù)性優(yōu)化
實驗設(shè)計（DoE）方法與流動化學的結(jié)合，顯著提高了反應(yīng)參數(shù)優(yōu)化的效率。相較于傳統(tǒng)的一次改變一個變量法，DoE需要更少的實驗次數(shù)即可達到優(yōu)化目標。
使用DoE進行條件的優(yōu)化強化
在流動化學中，DoE不僅提高了產(chǎn)率和反應(yīng)速度，如Paolo等人在卟啉單溴化反應(yīng)中的成果所示，還通過精確控制反應(yīng)條件實現(xiàn)了高可重復性，為進一步優(yōu)化和規(guī)模化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。
使用已有數(shù)據(jù)在流動反應(yīng)器中進行自我優(yōu)化
未來，自我優(yōu)化系統(tǒng)將進一步結(jié)合可編程化學處理器、機器學習算法和在線分析技術(shù)，形成實時反饋優(yōu)化循環(huán)，推動化學合成向更加綠色、可持續(xù)的方向發(fā)展。
小結(jié)和未來展望
性能顯著提升：
流動化學合成超分子化合物，加速反應(yīng)、縮短時間、增強選擇性與原子經(jīng)濟性，全面優(yōu)化化合物性能。
綠色可持續(xù)優(yōu)勢：
減少有機溶劑使用，降低環(huán)境影響，提升經(jīng)濟效益，展現(xiàn)流動化學在綠色合成中的潛力。
應(yīng)用前景廣闊：
作為綠色技術(shù)，流動化學在超分子化學中嶄露頭角，促進可持續(xù)性、優(yōu)化控制及規(guī)模化，為產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用開辟新篇章。
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