超分子化學界的“流” 行密碼

超分子化學成果廣泛應用于生化、材料、藥物等領域，在可持續發展中潛力巨大。

英國利物浦大學物理科學學院化學與材料創新工廠的Anna教授團隊，通過深入調研當前超分子化學領域的最新連續流生產技術，并在《Flow Chemistry 2024》上發表了他們的調研成果——“連續流動技術：實現可持續超分子化學的賦能科技"。

讓我們跟隨Anna教授團隊的腳步，一同踏入連續流動技術與超分子化學交織的奇妙領域。

•超分子化學溶劑需求與合成挑戰：超分子化學實驗常伴隨大量有機溶劑的連續使用，且大環合成需特殊條件，例如極低濃度以防低聚物生成。

•微通道反應器優勢：該技術在超分子化學中展現優勢，能迅速精確調控反應溫度、時間及混合強度，從而提升大環選擇性，有效減少低聚物副產物。

貝達爾等人研究成果：通過流動化學技術，貝達爾團隊成功合成了高濃度（0.1M）的大環狀脂質，遠超傳統批處理方法的濃度（2x10^-4M），同時保持了高產率、高選擇性和優異的原子經濟性。

超分子化學中新分子的合成和主客體識別研究

Ferran等人使用流動合成偽肽大環，具有更好的E因子和高產率。

• 實驗中融合流動路徑與蒸餾，結晶與溶劑回收同步進行，產率激增20倍，環境負擔減半，遠超傳統批處理。

• 此研究中引入固體支撐堿，進一步縮減試劑需求。

• Ferran等人創新提出“大環化環境影響"（MEI）作為可持續性評估工具，融入反應器時間與體積至MEI因子中，并成功應用于批處理及流動大環化反應系列。

MEI來解決大環化反應的可持續性問題

Bagi等人高效合成MOF-88

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：

多孔有機籠的動態流動合成

結果顯示：

•相比批處理中的0°C和3天反應時間，效率顯著提升。

•溶劑需求減少約4倍，且產量和純度保持不變。

•流動合成中更短的反應時間和更高的濃度、產率，使得CC1的MEI遠低于批處理過程。

•  O'Shaughnessy 等人將結晶多孔有機鹽的結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生產結晶共價有機框架的能力，其生產率大于 1 克/小時。

單晶共價有機骨架的連續流動合成

通過減少溶劑使用、提高反應速率和生產率，以及潛在的能源效率提升，流動化學為綠色化學和可持續材料科學的發展開辟了新的途徑。

未來，隨著技術的不斷進步和成本的進一步降低，流動化學有望在更多領域實現廣泛應用。

流動化學不僅優化了傳統批處理難以實現的反應條件，如Jones等人通過流動合成實現大環分子鉸鏈的高產率與高選擇性，還通過UPLC-MS在線分析提供了實時反饋，加速了反應優化過程，減少了資源消耗。

不同類型拓展卟啉的連續高效合成

此外，流動化學還揭示了如卟啉合成等傳統低收率反應的新路徑，通過精確控制條件實現了高溫下的大規模高效合成。

實驗設計（DoE）方法與流動化學的結合，顯著提高了反應參數優化的效率。相較于傳統的一次改變一個變量法，DoE需要更少的實驗次數即可達到優化目標。

使用DoE進行條件的優化強化

在流動化學中，DoE不僅提高了產率和反應速度，如Paolo等人在卟啉單溴化反應中的成果所示，還通過精確控制反應條件實現了高可重復性，為進一步優化和規模化生產奠定了基礎。

使用已有數據在流動反應器中進行自我優化

未來，自我優化系統將進一步結合可編程化學處理器、機器學習算法和在線分析技術，形成實時反饋優化循環，推動化學合成向更加綠色、可持續的方向發展。

性能顯著提升：

流動化學合成超分子化合物，加速反應、縮短時間、增強選擇性與原子經濟性，全面優化化合物性能。

綠色可持續優勢：

減少有機溶劑使用，降低環境影響，提升經濟效益，展現流動化學在綠色合成中的潛力。

應用前景廣闊：

作為綠色技術，流動化學在超分子化學中嶄露頭角，促進可持續性、優化控制及規模化，為產業化應用開辟新篇章。