超分子化學(xué)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(guó)利物浦大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料創(chuàng)新工廠的Anna教授團(tuán)隊(duì)，通過深入調(diào)研當(dāng)前超分子化學(xué)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(dòng)技術(shù)：實(shí)現(xiàn)可持續(xù)超分子化學(xué)的賦能科技”。

讓我們跟隨Anna教授團(tuán)隊(duì)的腳步，一同踏入連續(xù)流動(dòng)技術(shù)與超分子化學(xué)交織的奇妙領(lǐng)域。

•超分子化學(xué)溶劑需求與合成挑戰(zhàn)：超分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)常伴隨大量有機(jī)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(shì)：該技術(shù)在超分子化學(xué)中展現(xiàn)優(yōu)勢(shì)，能迅速精確調(diào)控反應(yīng)溫度、時(shí)間及混合強(qiáng)度，從而提升大環(huán)選擇性，有效減少低聚物副產(chǎn)物。

貝達(dá)爾等人研究成果：通過流動(dòng)化學(xué)技術(shù)，貝達(dá)爾團(tuán)隊(duì)成功合成了高濃度（0.1M）的大環(huán)狀脂質(zhì)，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)批處理方法的濃度（2x10^-4M），同時(shí)保持了高產(chǎn)率、高選擇性和優(yōu)異的原子經(jīng)濟(jì)性。

超分子化學(xué)中新分子的合成和主客體識(shí)別研究

Ferran等人使用流動(dòng)合成偽肽大環(huán)，具有更好的E因子和高產(chǎn)率。

• 實(shí)驗(yàn)中融合流動(dòng)路徑與蒸餾，結(jié)晶與溶劑回收同步進(jìn)行，產(chǎn)率激增20倍，環(huán)境負(fù)擔(dān)減半，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)批處理。

• 此研究中引入固體支撐堿，進(jìn)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(píng)估工具，融入反應(yīng)器時(shí)間與體積至MEI因子中，并成功應(yīng)用于批處理及流動(dòng)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

Bagi等人高效合成MOF-88

Briggs等人通過流動(dòng)化學(xué)方法，在100°C，僅需10分鐘停留時(shí)間便成功合成了多孔有機(jī)籠CC1：

多孔有機(jī)籠的動(dòng)態(tài)流動(dòng)合成

結(jié)果顯示：

•相比批處理中的0°C和3天反應(yīng)時(shí)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(dòng)合成中更短的反應(yīng)時(shí)間和更高的濃度、產(chǎn)率，使得CC1的MEI遠(yuǎn)低于批處理過程。

•  O'Shaughnessy 等人將結(jié)晶多孔有機(jī)鹽的結(jié)晶時(shí)間縮短至驚人的35秒，并同時(shí)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(jià)有機(jī)框架的能力，其生產(chǎn)率大于 1 克/小時(shí)。

單晶共價(jià)有機(jī)骨架的連續(xù)流動(dòng)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(dòng)化學(xué)為綠色化學(xué)和可持續(xù)材料科學(xué)的發(fā)展開辟了新的途徑。

未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的進(jìn)一步降低，流動(dòng)化學(xué)有望在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用。

流動(dòng)化學(xué)不僅優(yōu)化了傳統(tǒng)批處理難以實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)條件，如Jones等人通過流動(dòng)合成實(shí)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(shí)時(shí)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(dòng)化學(xué)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(shí)現(xiàn)了高溫下的大規(guī)模高效合成。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DoE）方法與流動(dòng)化學(xué)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(gè)變量法，DoE需要更少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)即可達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)。

使用DoE進(jìn)行條件的優(yōu)化強(qiáng)化

在流動(dòng)化學(xué)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(shí)現(xiàn)了高可重復(fù)性，為進(jìn)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(dòng)反應(yīng)器中進(jìn)行自我優(yōu)化

未來，自我優(yōu)化系統(tǒng)將進(jìn)一步結(jié)合可編程化學(xué)處理器、機(jī)器學(xué)習(xí)算法和在線分析技術(shù)，形成實(shí)時(shí)反饋優(yōu)化循環(huán)，推動(dòng)化學(xué)合成向更加綠色、可持續(xù)的方向發(fā)展。

性能顯著提升：

流動(dòng)化學(xué)合成超分子化合物，加速反應(yīng)、縮短時(shí)間、增強(qiáng)選擇性與原子經(jīng)濟(jì)性，全面優(yōu)化化合物性能。

綠色可持續(xù)優(yōu)勢(shì)：

減少有機(jī)溶劑使用，降低環(huán)境影響，提升經(jīng)濟(jì)效益，展現(xiàn)流動(dòng)化學(xué)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(dòng)化學(xué)在超分子化學(xué)中嶄露頭角，促進(jìn)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。