超分子化學界的“流” 行密碼

更新時間：2024-10-09 點擊次數(shù)：229

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

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。

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：