由于化學化工行業(yè)對可持續(xù)發(fā)展和綠色制造的迫切需求，連續(xù)流化學作為一門新興學科越發(fā)受到廣泛關注。連續(xù)流反應具有傳質快、傳熱效率高、過程安全性好、廢料排放少等優(yōu)點，從而易于實現(xiàn)從實驗室到工業(yè)生產的無瓶頸放大。

最近，王曉課題組以連續(xù)流技術為核心，開發(fā)出一套用于連續(xù)光催化合成的微反應系統(tǒng)，用于合成重要的橡膠硫化促進劑和藥用分子二硫化四乙基秋蘭姆（TETD，雙硫侖）。新方法極大縮短了反應時間，并提高了產品收率和純度。實現(xiàn)結果表明，在僅25分鐘的停留時間下，TETD產率即可達到94%。經過長時間的放量實驗，此系統(tǒng)仍可保持良好的穩(wěn)定性，TETD的分離產率高達96%。相關成果以 “Continuous-flow step-economical synthesis of thiuram disulfides via visible-light photocatalytic aerobic oxidation”為題發(fā)表于Green Chemistry（2021, 23, 1280），王曉副教授為通訊作者，2018級碩士研究生許皓星為本文第一作者。

秋蘭姆類促進劑的傳統(tǒng)合成步數(shù)多，并通常使用強酸、強堿、過氧化氫、金屬氧化物等試劑，反應慢，放熱量大，廢料處理成本高。新方法使用氧氣作為綠色廉價的氧化劑，只需一步，且不使用任何額外的酸或堿；根據Lambert-Beer定律將微通道與光催化結合，從而綠色高效地合成該類產品（圖1）。因在微通道中反應徹底，原料可按接近1:1的比例添加，故新方法除溶劑和有機光催化劑外，不產生任何廢料。

圖1. TETD傳統(tǒng)合成工藝與連續(xù)流工藝的對比

首先，團隊以二乙胺和二硫化碳為原料，研究了光催化劑和光源對合成相應二硫化物的影響，確立了以Eosin Y為光催化劑，綠光為光源的方案。隨后設計了一套連續(xù)流反應裝置，采用氣體質流控制器（MFC）進行氧氣輸送，以恒流泵輸送底物和催化劑的溶液，兩股物料在通過微混合器后進入微通道反應器中形成氣-液兩相間斷流。并在反應器周圍添加LED光源，在裝置的下游部分安裝微型背壓調節(jié)器以控制系統(tǒng)總壓（圖2）。在這套裝置中，氣、液流量可以得到精準的控制，混合效果遠好于傳統(tǒng)批次反應器。微反應器光程長度僅0.8 mm，從而提高了光化學反應效率。

圖2. 用于連續(xù)合成TETD的微反應器系統(tǒng)

隨后，團隊對流動反應的保留時間、壓力、溶劑等參數(shù)進行了優(yōu)化（圖3），確立了醇類為溶劑、壓力75 psi、停留時間20–25 min 的最優(yōu)反應條件，并進一步合成了多種常用的秋蘭姆類促進劑（圖4）。機理方面，團隊通過實驗確立了質子耦合電子轉移（PCET）反應機理，并采用二苯基異苯并呋喃（DPBF）作為單線態(tài)氧捕獲劑，觀測到UV-Vis光譜中409 nm處DPBF紫外吸收明顯減少，證實了單線態(tài)氧的存在。

圖3. （a）壓力對以乙醇為溶劑合成TETD產率的影響；（b）反應停留時間對以乙醇為溶劑合成TETD的產率的影響；（c）反應停留時間對以甲醇作為溶劑合成TETD的產率的影響。

圖4. 底物適用范圍

目前合作企業(yè)已完成工業(yè)化論證。每套裝置預計占地面積小于1 m²，僅為傳統(tǒng)批次反應的1/20左右（相同產能下），造價控制在4萬元以下。在高流速下連續(xù)運行，預計日產能可達幾十千克。產品晶型和純度都優(yōu)于傳統(tǒng)方法，安全性大大提高，廢液排放量顯著減少。申報專利一項（202011315319.5）。該項目的開展，為尋找一種普適的連續(xù)流氧氣氧化方案提供了豐富的經驗基礎。

此外，課題組以類似的連續(xù)流反應裝置促進C–N糖苷鍵生成，提出了N9嘌呤核苷的前生物合成新途徑，于近日發(fā)表于Cell Reports Physical Science（2021, 2, 100375）。并運用上述兩相流體系，在燃油氧化脫硫反應方面取得了進展（J. Flow Chem.2020, 10, 597）。