化學(xué)品生產(chǎn)可能充滿(mǎn)危險(xiǎn)。從爆炸到有毒化學(xué)品，制造有用的分子通常需要仔細(xì)考慮如何使過(guò)程本質(zhì)上更安全。國(guó)外研究人員使用自動(dòng)流動(dòng)反應(yīng)器來(lái)安全地利用溴的光化學(xué)——溴是一種劇毒的泥褐色物質(zhì)，可用于制造一些最用于藥物生產(chǎn)的有用化學(xué)鍵。

化學(xué)合成是大生意。全球化學(xué)工業(yè)價(jià)值超過(guò) 3 萬(wàn)億美元，其大部分價(jià)值來(lái)自化合物的生產(chǎn)。這些化合物可能以從自然資源中提取的形式出現(xiàn)，例如煉油，從原油中提取有價(jià)值的化學(xué)物質(zhì)，或者在反應(yīng)器中組合不同的化學(xué)物質(zhì)以生產(chǎn)新產(chǎn)品。

許多高價(jià)值化學(xué)品是由試劑制成的，這些試劑也必須自己合成并且涉及復(fù)雜的多步驟過(guò)程。化學(xué)家制造新化學(xué)物種的另一個(gè)挑戰(zhàn)是，許多化學(xué)物質(zhì)通常需要以高溫、高壓或使用非?？量痰脑噭ㄈ鐫馑幔┑男问綇?qiáng)制反應(yīng)。

溴化氫 (HBr) 和溴酸鈉 (NaBrO 3 ) 溶解在水中，因此它們與油狀反應(yīng)物不能很好地混合。通過(guò)反應(yīng)器不斷混合使反應(yīng)發(fā)生。

工業(yè)合成可以通過(guò)多種方式進(jìn)行。一種方法是批處理，其中建立反應(yīng)，讓其運(yùn)行，取出產(chǎn)品，然后開(kāi)始新的批次——就像酒精生產(chǎn)的釀造過(guò)程一樣。另一個(gè)是流動(dòng)化學(xué)，其中化學(xué)試劑不斷混合、反應(yīng)并產(chǎn)生新的化學(xué)物質(zhì)。

流動(dòng)反應(yīng)器是生產(chǎn)高產(chǎn)量化學(xué)品的絕佳方式，特別是對(duì)于特殊類(lèi)型的反應(yīng)，例如需要由光觸發(fā)的反應(yīng)（稱(chēng)為光化學(xué)反應(yīng)）。然而，流動(dòng)反應(yīng)器和光化學(xué)都沒(méi)有被制藥行業(yè)廣泛采用，因?yàn)閷ふ曳椒▉?lái)擴(kuò)大化學(xué)反應(yīng)以生產(chǎn)所需的大量產(chǎn)品是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。這意味著，迄今為止，大多數(shù)使用這些技術(shù)和方法的反應(yīng)僅限于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，奧地利研究中心制藥工程 (RCPE) 的研究人員與國(guó)外反應(yīng)器廠家合作，設(shè)計(jì)了一種高度優(yōu)化的反應(yīng)程序，使用流動(dòng)反應(yīng)器進(jìn)行光觸發(fā)反應(yīng)，可以規(guī)模擴(kuò)大到工業(yè)規(guī)模。這個(gè)過(guò)程在一個(gè)大約 A4 紙大小的反應(yīng)器中運(yùn)行，效率很高：如果讓它連續(xù)運(yùn)行，可以想象它本身就可以滿(mǎn)足世界對(duì)特定藥物中間體的很大一部分需求。

光是一種可再生能源，與濃酸和堿不同，它不會(huì)產(chǎn)生需要事后處理的廢物。它處理起來(lái)是安全的，并且通常允許“溫和”的反應(yīng)條件和更低能耗。

使光成為一種強(qiáng)大的化學(xué)試劑，是它可以提供的能量。與劇烈加熱分子使其反應(yīng)不同，吸收稱(chēng)為光子的單個(gè)光能包也可以引發(fā)反應(yīng)。有時(shí)，分子的光驅(qū)動(dòng)化學(xué)可能與加熱時(shí)發(fā)生的情況大不相同，從而開(kāi)啟了許多令人興奮的新反應(yīng)可能性。隨著功能強(qiáng)大、可靠的發(fā)光二極管 (LED) 的出現(xiàn)，工業(yè)光化學(xué)現(xiàn)在變得比以往任何時(shí)候都容易。

RCPE 所做的大部分工作是尋找最佳反應(yīng)器設(shè)置和條件，不僅可以促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室中的光化學(xué)，而且可以在工業(yè)規(guī)模上采用。通過(guò)精心調(diào)整的化學(xué)和合適的反應(yīng)器相結(jié)合，他們已經(jīng)能夠?yàn)槟繕?biāo)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)幾項(xiàng)非凡的目標(biāo)：消除對(duì)有機(jī)溶劑的需求，回收酸性試劑減少浪費(fèi)并提高安全性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)過(guò)程強(qiáng)化。

自由基溴

眾所周知的危險(xiǎn)化學(xué)試劑溴 (Br 2 )雖然在室溫下正式為液體，但它很容易蒸發(fā)形成不祥的棕紅色氣體。雖然不像其更著名的化學(xué)對(duì)應(yīng)物氯那樣有毒，但它仍然對(duì)人體健康非常有害，并且在相當(dāng)小的劑量下會(huì)致命。為了在合成中觸發(fā)碳 - 溴鍵的形成，向混合物中添加光以觸發(fā)溴 - 溴鍵的斷裂，從而形成兩個(gè)更具反應(yīng)性的溴自由基。

在許多藥物、農(nóng)用化學(xué)品和先進(jìn)材料的合成中，溴是化學(xué)家最好的朋友。這促使研究如何利用溴，同時(shí)避免試劑本身的運(yùn)輸和儲(chǔ)存。該團(tuán)隊(duì)沒(méi)有向流動(dòng)反應(yīng)器中添加有毒溴以進(jìn)行此類(lèi)反應(yīng)，而是開(kāi)發(fā)了一種系統(tǒng)來(lái)原位生成所需的溴。溴根據(jù)需要連續(xù)形成。這意味著所有的溴都在化學(xué)反應(yīng)中被消耗掉，并且不會(huì)留下任何有害的試劑。

獲取試劑、溴的反應(yīng)以及在正確的時(shí)間以正確的數(shù)量添加光是一個(gè)棘手的平衡行為。為了使反應(yīng)發(fā)生，原料和溴需要很好地混合。由于它們天然不混溶，就像油和水一樣，這相當(dāng)困難。為此，該團(tuán)隊(duì)采用流動(dòng)反應(yīng)器能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的流速，以創(chuàng)造一個(gè)高度湍流的環(huán)境，所有必要的化學(xué)品都可以在其中相遇。使用強(qiáng)大的 LED 意味著，當(dāng)所有試劑混合時(shí)，可以觸發(fā)溴鍵斷裂，并形成最終產(chǎn)品。該團(tuán)隊(duì)開(kāi)始使用流動(dòng)反應(yīng)器進(jìn)行小規(guī)模的初步測(cè)試，并花費(fèi)了數(shù)月時(shí)間調(diào)整參數(shù)，例如反應(yīng)溫度和壓力，以最大限度找到提高產(chǎn)品產(chǎn)量的最佳條件。一旦他們找到了一種有效的方法可以相對(duì)快速地?cái)U(kuò)大這種反應(yīng)。這種方法是一種以更環(huán)保的方式高效、有效地進(jìn)行舊化學(xué)的令人興奮的新方法。這也是證明將光化學(xué)流動(dòng)反應(yīng)器的反應(yīng)優(yōu)化從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模轉(zhuǎn)移到大型反應(yīng)器向大規(guī)模制造的可行性方面的突破。