摘 要
超分子化学成果广泛应用于生化、材料、药物等领域，在可持续发展中潜力巨大。
英国利物浦大学物理科学学院化学与材料创新工厂的Anna教授团队，通过深入调研当前超分子化学领域的最新连续流生产技术，并在《Flow Chemistry 2024》上发表了他们的调研成果——“连续流动技术：实现可持续超分子化学的赋能科技”。
让我们跟随Anna教授团队的脚步，一同踏入连续流动技术与超分子化学交织的奇妙领域。
流动化学在超分子化学研究进展
01
溶剂，反应效率和能源使用优化
•超分子化学溶剂需求与合成挑战：超分子化学实验常伴随大量有机溶剂的连续使用，且大环合成需特殊条件，例如极低浓度以防低聚物生成。
•微通道反应器优势：该技术在超分子化学中展现优势，能迅速精确调控反应温度、时间及混合强度，从而提升大环选择性，有效减少低聚物副产物。
案例1：优异原子经济性
贝达尔等人研究成果：通过流动化学技术，贝达尔团队成功合成了高浓度（0.1M）的大环状脂质，远超传统批处理方法的浓度（2x10-4M），同时保持了高产率、高选择性和优异的原子经济性。
超分子化学中新分子的合成和主客体识别研究
案例2：流动合成结合溶剂回收，减少结晶溶剂使用
Ferran等人使用流动合成伪肽大环，具有更好的E因子和高产率。
实验中融合流动路径与蒸馏，结晶与溶剂回收同步进行，产率激增20倍，环境负担减半，远超传统批处理。
此研究中引入固体支撑碱，进一步缩减试剂需求。
Ferran等人创新提出“大环化环境影响”（MEI）作为可持续性评估工具，融入反应器时间与体积至MEI因子中，并成功应用于批处理及流动大环化反应系列。
MEI来解决大环化反应的可持续性问题
在涵盖的9个研究过程中，有8个实例显示：
流动合成的MEI显著低于批处理过程。这一优势主要归因于流动合成的高产率、溶剂使用量的显著减少，以及由于反应时间缩短而带来的更高生产率。
对于无需高稀释条件即可合成的材料而言，溶剂的显著减少尤为有利，尤其是在考虑工艺放大至生产规模时，这一优势更为突出。
02
流动化学促进在金属有机骨架和多孔材料合成的成本效益与可持续性
案例3. MOF-88合成的成本优化与能源效率
Bagi等人高效合成MOF-88
Bagi等人的研究表明，在流动反应器中合成MOF-88时：
N，N-二甲基甲酰胺和甲酸的需求分别大幅减少了84%和67%，生产率翻倍。
溶剂使用的显著减少进一步降低了每克产品的材料成本至约3美元。
流动过程中的高效热传递和背压调节器应用，使得溶剂温度提升，反应速率加快，反应时间缩短，展现了流动化学在降低生产成本和提升能源效率方面的巨大潜力。
案例4. 多孔有机笼CC1的动态流动合成优势
Briggs等人通过流动化学方法，在100°C，仅需10分钟停留时间便成功合成了多孔有机笼CC1：
多孔有机笼的动态流动合成
结果显示：
•相比批处理中的0°C和3天反应时间，效率显著提升。
•溶剂需求减少约4倍，且产量和纯度保持不变。
•流动合成中更短的反应时间和更高的浓度、产率，使得CC1的MEI远低于批处理过程。
案例5. 连续流加速多孔有机盐结晶过程：
O'Shaughnessy 等人将结晶多孔有机盐的结晶时间缩短至惊人的35秒，并同时提高了晶体的纯度。
Traxler 等人最近证明了连续生产结晶共价有机框架的能力，其生产率大于 1 克/小时。
单晶共价有机骨架的连续流动合成
通过减少溶剂使用、提高反应速率和生产率，以及潜在的能源效率提升，流动化学为绿色化学和可持续材料科学的发展开辟了新的途径。
未来，随着技术的不断进步和成本的进一步降低，流动化学有望在更多领域实现广泛应用。
03
流动化学在新反应优化中的前沿探索
案例6. 流动化学在复杂反应高效优化中的突破
流动化学不仅优化了传统批处理难以实现的反应条件，如Jones等人通过流动合成实现大环分子铰链的高产率与高选择性，还通过UPLC-MS在线分析提供了实时反馈，加速了反应优化过程，减少了资源消耗。
不同类型拓展卟啉的连续高效合成
此外，流动化学还揭示了如卟啉合成等传统低收率反应的新路径，通过精确控制条件实现了高温下的大规模高效合成。
案例7. 实验设计与流动化学协同推进可持续性优化
实验设计（DoE）方法与流动化学的结合，显著提高了反应参数优化的效率。相较于传统的一次改变一个变量法，DoE需要更少的实验次数即可达到优化目标。
使用DoE进行条件的优化强化
在流动化学中，DoE不仅提高了产率和反应速度，如Paolo等人在卟啉单溴化反应中的成果所示，还通过精确控制反应条件实现了高可重复性，为进一步优化和规模化生产奠定了基础。
使用已有数据在流动反应器中进行自我优化
未来，自我优化系统将进一步结合可编程化学处理器、机器学习算法和在线分析技术，形成实时反馈优化循环，推动化学合成向更加绿色、可持续的方向发展。
小结和未来展望
性能显著提升：
流动化学合成超分子化合物，加速反应、缩短时间、增强选择性与原子经济性，全面优化化合物性能。
绿色可持续优势：
减少有机溶剂使用，降低环境影响，提升经济效益，展现流动化学在绿色合成中的潜力。
应用前景广阔：
作为绿色技术，流动化学在超分子化学中崭露头角，促进可持续性、优化控制及规模化，为产业化应用开辟新篇章。
