流动化学
时间：2024-06-24 阅读：43
流动化学 | 连续流反应器及工艺设计
在任何微小剪切力持续作用下连续变形的物质叫做流体。微通道内两相流体在不同的表观流速下，会出现多种不同的流型状态，如气液两相间的泡状流、弹状流、环状流，不同流型的形成受两相之间的界面张力、黏性力、流速等因素的影响。
流动化学是在连续流动的系统中完成的化学反应。流动化学技术，又称连续流技术、微通道技术，其主要的特征是连续流动反应、瞬时微型处理量。与传统的釜式反应技术相比，连续流技术有许多明显的优势：传质传热效率高、反应安全性高、物料配比精确、生产重现性良好、自动化程度高等，其应用范围也越来越广。
【 连续流设备 】
一个用于合成技术的连续流设备可大致分为进料系统、混合器、反应器、淬灭、压力调节、收集、分析和纯化八个部分。进料系统是指可以将物质定量、均匀输送至目标单元的设备，常见的进料系统有柱塞泵、隔膜泵、蠕动泵、注射泵等。连续流中常见的反应器有线圈反应器、板式反应器、管式反应器、固定床反应器、光化学反应器、电化学反应器等。
对于放热剧烈的反应，需要使用冷热一体机对体系温度进行控制。对于有气体参与的反应，可使用气体流量计对气体流量进行检测，还可使用背压阀对反应体系压力进行调节。连续流常见的纯化设备有基于膜分离技术的液液分离和基于离心场实现液液分离的离心萃取机。连续流的在线分析技术包括热电偶、红外、拉曼和紫外光谱、质谱、色谱、核磁共振和粒径分析等。
【 连续流工艺设计 】
连续流应用的案例众多，包括硝化反应、氧化反应、催化加氢反应、傅克反应、氟化反应、格式反应等。除了能够完成有机反应，连续流设备在化合物的结晶、生物测定、制剂生产等方面也有着较好的应用。
| 多相反应
举个栗子：对于催化氢化反应，底物可溶解于溶剂中通过泵输送至管路中，氢气可使用气罐或在线电解水制取，出口通过气体流量计（MFC）对气体流速进行控制，底物和氢气通过T形管完成混合，输送至固定床反应器。固定床反应器构造类似于色谱柱，里面可填充固体催化剂，气液混合体系通过固定床反应器完成催化反应，收集器前端可连接背压阀（BPR），增加反应体系压力，提高气体浓度，加速反应速率。
举个栗子：二氯甲烷是一种经常使用的溶剂，然而其易挥发，回流时反应温度也只能达到40℃，限制了其应用。对于下图化合物208进行TES保护时，只需要在低温下即可完成反应，但缩醛部分开环则需要较高的温度。通过连续流技术，使用背压阀加压，使用二氯甲烷作为溶剂可使反应温度提升至80℃，30min即可完成反应，而室温下则需要5-16h转化。
| 光电反应
举个栗子：化合物328在光照射下可发生[2+2]环化反应，反应时间约8h，光照波长需大于305nm.若同时使用催化剂329，其可通过降低反应底物之间HOMO-LUMO能级差，使转化率从29%提升至76%.
以上提到的反应均为单步反应，连续流在多步骤反应上应用也较多，只是对反应的整个工艺要求比较高。例如下图化合物247、251与盐酸反应完成氯对羟基的取代，分别生成化合物248和252，然后化合物248与249偶联生成250，化合物250再与252偶联生成目标化合物253.
参考资料：
[1] 丁全有等，连续流反应器及工艺设计
[2] Matthew B. Plutschack et al. The Hitchhiker’s Guide to Flow Chemistry
[3] Antimo Gioiello et al. The Medicinal Chemistry in the Era of Machines and Automation: Recent Advances in Continuous Flow Technology
