什么是流動(dòng)化學(xué)？

流動(dòng)化學(xué)是將溶解的反應(yīng)混合物通過連續(xù)流動(dòng)泵送入反應(yīng)器。反應(yīng)器可以是固定床型反應(yīng)器，其中反應(yīng)混合物通過固體催化劑或試劑或管式反應(yīng)器，其中起始材料，試劑或催化劑均勻溶解在溶液中并通過加熱或冷卻區(qū)。反應(yīng)管線的內(nèi)徑通常在微米至毫米范圍內(nèi)。其中的關(guān)鍵是反應(yīng)是連續(xù)進(jìn)行的，反應(yīng)混合物在任何時(shí)候都會(huì)發(fā)生反應(yīng)。通過這種方式進(jìn)行化學(xué)處理比標(biāo)準(zhǔn)的批處理過程帶來許多優(yōu)點(diǎn)。

改進(jìn)的混合：加速反應(yīng)

如下圖所示，批量反應(yīng)器的體積越大，實(shí)現(xiàn)均勻混合的難度越大。

流動(dòng)化學(xué)反應(yīng)器的體積小，加上對(duì)反應(yīng)混合物流量的精確控制，意味著通過擴(kuò)散進(jìn)行的精確和可重現(xiàn)的混合可以在幾厘米的時(shí)間內(nèi)完成。

這導(dǎo)致反應(yīng)的重現(xiàn)性增加。

改進(jìn)的混合也可以提高反應(yīng)時(shí)間，特別是在使用固定床反應(yīng)器時(shí)。

在固定床反應(yīng)器中，反應(yīng)混合物被推過固體試劑或催化劑。催化劑/試劑與反應(yīng)混合物相比的比例要高得多。反應(yīng)混合物通過由固體顆粒產(chǎn)生的通道，并在其沿反應(yīng)器長(zhǎng)度方向通過時(shí)連續(xù)相互作用。反應(yīng)混合物不能幫助，但與固體催化劑/試劑相互作用。這可能導(dǎo)致反應(yīng)速率提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。如果將它與間歇反應(yīng)進(jìn)行比較，則與其余反應(yīng)混合物相比，固體催化劑在化學(xué)計(jì)量上較低，因此所有材料吸附到催化劑表面上需要更長(zhǎng)的時(shí)間。

改進(jìn)的溫度控制

在流化學(xué)反應(yīng)器中，表面積與體積的比率比正常間歇反應(yīng)器高得多。這有兩個(gè)后果。可以更有效地去除熱量，或者可以非常迅速地將熱量放入反應(yīng)混合物中。

快速加熱

如果溶劑具有偶極矩，那么微波技術(shù)是在間歇反應(yīng)中加熱溶劑的最快方式，尤其是與油浴加熱方法相比時(shí)。流化學(xué)反應(yīng)器的表面積與體積比的改善意味著流化學(xué)反應(yīng)器也能夠模擬微波的快速傳熱，其中反應(yīng)混合物在幾秒內(nèi)被加熱至設(shè)定溫度。這導(dǎo)致流化學(xué)反應(yīng)器被用于微波反應(yīng)放大。流動(dòng)反應(yīng)器的附加優(yōu)點(diǎn)是可以使用沒有偶極矩的溶劑。

流動(dòng)化學(xué)反應(yīng)器，微波或油浴的傳熱對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

高溫和高壓能力

流化學(xué)反應(yīng)器通常采用HPLC部件。HPLC是流動(dòng)化學(xué)的另一種形式，但是用于分離。反壓調(diào)節(jié)器可以產(chǎn)生較高的壓力，其中一個(gè)閥門產(chǎn)生對(duì)反應(yīng)混合物流動(dòng)的阻力。

發(fā)熱：使高能量反應(yīng)更安全

低反應(yīng)混合物體積與高表面積體積比相結(jié)合還意味著反應(yīng)過程中產(chǎn)生的任何熱量可以非常快速地除去，與批料相比，流動(dòng)化學(xué)中的反應(yīng)控制程度更高，如溴化鋰交換實(shí)施例所示下面。

高度放熱反應(yīng)，如鋰化，硝化，或臭氧分解現(xiàn)在可能是更安全的相比批次中流動(dòng)化學(xué)來執(zhí)行。這種更大程度的控制也意味著反應(yīng)溫度不需要太低。通常可以看到，化學(xué)家將應(yīng)用-78°C的標(biāo)準(zhǔn)低溫以考慮反應(yīng)過程中產(chǎn)生的任何放熱。對(duì)于流動(dòng)化學(xué)，較高的反應(yīng)溫度意味著可以在0℃或室溫下進(jìn)行相同的反應(yīng)。

多步驟合成

流動(dòng)化學(xué)中的多步驟合成，其中一個(gè)反應(yīng)器的產(chǎn)物的洗脫通過另一種試劑直接混合并通過另一個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行另一個(gè)反應(yīng)，是一種非常有用的合成方法，但也是最難掌握的方法之一。除了在一個(gè)流程中執(zhí)行2次或更多次反應(yīng)的明顯時(shí)間節(jié)省之外，還有其他優(yōu)點(diǎn)。在形成時(shí)可能爆炸性分解的化合物如疊氮化物可立即使用流動(dòng)反應(yīng)以形成更穩(wěn)定的產(chǎn)物。

微系統(tǒng)中的快速有機(jī)合成

該化合物不需要被隔離，并且只是為了增加安全性而連續(xù)少量生成。多步合成的主要困難在于在起始原料，試劑和產(chǎn)品全部可溶的所有步驟中保持常見溶劑混合物。步驟之間的純化也可能增加難度，但劍橋大學(xué)的Steve Ley教授和他的小組已經(jīng)成為多步合成的主人，并且經(jīng)常展示使用在線清除劑來幫助步驟之間的純化。

改進(jìn)的選擇性

流動(dòng)化學(xué)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以非常精確地控制反應(yīng)區(qū)中反應(yīng)混合物的時(shí)間（停留時(shí)間）。處理可能產(chǎn)生2個(gè)或更多產(chǎn)品的反應(yīng)時(shí)，這非常有用。通過調(diào)節(jié)流速可以延長(zhǎng)或縮短停留時(shí)間，直到達(dá)到最佳選擇性。這種精確的控制是不可能的。我們結(jié)合了停留時(shí)間控制和催化劑篩選以獲得高選擇性。下面給出一個(gè)例子。