1. 簡(jiǎn)介

流動(dòng)化學(xué)是合成有機(jī)化學(xué)中的一門(mén)學(xué)科，它使用不同試劑的連續(xù)流，這些試劑通過(guò)泵引入并在連續(xù)反應(yīng)器中混合，例如活塞流反應(yīng)器 (PFR) 或連續(xù)攪拌釜反應(yīng)器 (CSTR)。與通常在圓底燒瓶中進(jìn)行的傳統(tǒng)批量處理相比，它具有多種優(yōu)勢(shì)，例如增強(qiáng)傳質(zhì)和傳熱、提高安全性、提高反應(yīng)效率、減少浪費(fèi)、更好的可擴(kuò)展性和提高的再現(xiàn)性。因此，流動(dòng)化學(xué)可以精確控制反應(yīng)條件，并能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和分析反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，從而產(chǎn)生高質(zhì)量的產(chǎn)品和簡(jiǎn)化的流程。 這些優(yōu)點(diǎn)導(dǎo)致學(xué)術(shù)界和制藥、精細(xì)化學(xué)品和材料科學(xué)等各個(gè)行業(yè)越來(lái)越多地采用流動(dòng)化學(xué)。

雖然毫無(wú)疑問(wèn)流動(dòng)化學(xué)具有許多優(yōu)點(diǎn)，但它受到了合成界的懷疑，9因此它的實(shí)施經(jīng)歷了一個(gè)誘導(dǎo)期。 這可以歸因于缺乏跨學(xué)科知識(shí)、感知復(fù)雜性和高投資成本。 事實(shí)上，流動(dòng)化學(xué)是一個(gè)跨學(xué)科領(lǐng)域，需要化學(xué)和化學(xué)工程的知識(shí)。 然而，對(duì)流動(dòng)化學(xué)這些原理的一些基本了解應(yīng)該已經(jīng)允許人們開(kāi)始建立流動(dòng)實(shí)驗(yàn)。 此外，“自己動(dòng)手”組裝流程設(shè)置、3D打印技術(shù)和廉價(jià)電子工具包的最新進(jìn)展使技術(shù)變得更加直觀、易于使用和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。 因此，近年來(lái)，合成有機(jī)化學(xué)中流動(dòng)技術(shù)的采用不斷增長(zhǎng)。 隨著光化學(xué)和電化學(xué)的興起，流技術(shù)因其能夠應(yīng)對(duì)這些合成模式的可擴(kuò)展性挑戰(zhàn)而成為流行且不可或缺的選擇。 流動(dòng)化學(xué)還因其能夠安全有效地與具有挑戰(zhàn)性或危險(xiǎn)的試劑進(jìn)行反應(yīng)的能力而受到青睞，從而擴(kuò)展了化學(xué)前沿。

我們的實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常被要求幫助年輕的碩士生和博士生開(kāi)始使用該技術(shù)。盡管他們一開(kāi)始可能會(huì)感到害怕，但我們經(jīng)?？吹剿麄?nèi)绾慰焖僬莆崭拍畈㈤_(kāi)始從流技術(shù)的研究中獲益。 為了進(jìn)一步提高流動(dòng)化學(xué)在合成有機(jī)化學(xué)中的采用，本綜述旨在為連續(xù)流反應(yīng)器的使用提供一些基本指南。 目標(biāo)是提供簡(jiǎn)潔的概述，幫助研究人員對(duì)該技術(shù)背后的原理有基本的了解，使他們能夠從實(shí)驗(yàn)中獲得最大收益。 我們重點(diǎn)介紹了三個(gè)相關(guān)示例來(lái)闡明每項(xiàng)基本原則。 我們的目的不是提供連續(xù)流動(dòng)化學(xué)的詳盡概述，而是為讀者提供簡(jiǎn)單易懂的指南，以確定流動(dòng)化學(xué)是否與其研究相關(guān)。 因此，我們的目標(biāo)是讓更廣泛的合成界了解這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，并展示它如何以及何時(shí)能夠發(fā)揮作用。

2. 傳質(zhì)（Mass transfer）

對(duì)于合成有機(jī)化學(xué)家來(lái)說(shuō)，流動(dòng)化學(xué)的第一個(gè)也是最有效的優(yōu)勢(shì)是改進(jìn)的傳質(zhì)。 傳質(zhì)被定義為一種物質(zhì)的凈移動(dòng)，例如由于擴(kuò)散和/或?qū)α?，反?yīng)物之一在反應(yīng)器內(nèi)從一點(diǎn)到另一點(diǎn)。 換句話說(shuō)，傳質(zhì)決定了反應(yīng)混合物的混合程度：傳質(zhì)越好，混合就越有效。

該參數(shù)在多相反應(yīng)的情況下尤其重要，例如氣液反應(yīng)，其中一種試劑需要通過(guò)擴(kuò)散從一相遷移到另一相。

例如，No?l 和同事報(bào)道了通過(guò)流動(dòng)中的氫原子轉(zhuǎn)移光催化作用，利用氣態(tài)輕質(zhì)烴（即甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷）進(jìn)行光催化 Giese 型烷基化（圖 1）。 在此，作者利用了 十鎢酸陰離子 (DT, W10O324?) 作為一種多功能且廉價(jià)的基于多金屬氧酸鹽的氫原子轉(zhuǎn)移 (HAT) 光催化劑：在紫外光照射下激活后，這種光催化劑可以均裂 C(sp3)–H 鍵，產(chǎn)生 C- 中心自由基，隨后可用于各種合成目的。 雖然這種化學(xué)反應(yīng)被證明在均質(zhì)溶液（即單溶液相）的情況下是有效的，但氣態(tài)烷烴的活化更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗鼈冊(cè)诠餐芤褐械娜芙舛扔邢抻袡C(jī)溶劑。 直接的后果是，由于氣體到液體的傳質(zhì)限制較差，目標(biāo)化學(xué)反應(yīng)特別緩慢。 作者通過(guò)采用流動(dòng)化學(xué)來(lái)解決這一挑戰(zhàn)：通過(guò)使用簡(jiǎn)單的背壓調(diào)節(jié)器增加反應(yīng)器中的壓力，氣態(tài)烷烴可以被迫進(jìn)入液相，從而增加 C(sp3)-H 鍵激活的幾率 的氣體成分。 因此，當(dāng) CD3CN[thin space (1/6-em)]:[thin space (1/6-em)]H2O (7[thin space (1/6-em)]:[thin space (1/6-em)]1)在十鎢酸四丁基銨和甲烷(20當(dāng)量)存在下，在45巴壓力下用紫外光(365 nm，150 W)照射烯烴1.1的溶液，得到相應(yīng)的甲基化產(chǎn)物1.2 停留時(shí)間 6 小時(shí)后產(chǎn)率為 42%。 有趣的是，流動(dòng)化學(xué)允許在高壓下以及時(shí)、可擴(kuò)展且安全的方式進(jìn)行整個(gè)范圍（38 個(gè)示例），這在傳統(tǒng)的間歇式反應(yīng)器中是不可能的。 最近，同一作者將該技術(shù)擴(kuò)展到氣態(tài)一氧化碳 (CO) 的 C(sp3)-H 羰基化，以良好至優(yōu)異的產(chǎn)率獲得不對(duì)稱(chēng)酮（41 個(gè)例子）。

圖1 微流技術(shù)改善了氣液傳質(zhì)，可用于氣態(tài)輕烴的功能化。TBADT：四丁基脫鎢酸銨;BPR：背壓調(diào)節(jié)器;MFC：質(zhì)量流量控制器。

另一個(gè)嚴(yán)重依賴(lài)微流技術(shù)提供的最佳傳質(zhì)的合成學(xué)科是閃速化學(xué)（flash chemistry）。閃速化學(xué)可以被視為流動(dòng)化學(xué)的一個(gè)子學(xué)科，其中以高度受控的方式進(jìn)行極快的反應(yīng)，以產(chǎn)生所需的產(chǎn)物。 具有高選擇性的化合物。 2016 年，Yoshida、Kim 及其同事利用這一概念，超越了非?？焖俚年庪x子 Fries 重排，對(duì)鄰位氨基甲酸碘苯酯進(jìn)行化學(xué)選擇性官能化（圖 2）。 因此，當(dāng)化合物 2.1 受到碘/鋰作用時(shí) 交換，得到中間體2.2； 后一種化合物在室溫下快速進(jìn)行陰離子弗賴(lài)斯重排，得到 2.3。 為了超越這種重排并用親電試劑功能化 2.2 的鄰位，作者開(kāi)發(fā)了一種芯片微反應(yīng)器，其采用 3D 蛇形微通道設(shè)計(jì)，由六層紫外激光燒蝕的氟乙烯丙烯聚酰亞胺薄膜制成。 該反應(yīng)器具有化學(xué)惰性，能夠承受高壓和低反應(yīng)溫度，而其體積僅為25納升。 這種減少的內(nèi)部體積使得混合時(shí)間極快（低至 330 ms），這對(duì)于用合適的親電子試劑猝滅 2.2 以在其過(guò)早重排之前產(chǎn)生 2.4 至關(guān)重要。 當(dāng)將混合時(shí)間延長(zhǎng)至毫秒范圍時(shí)，選擇性已經(jīng)發(fā)生逆轉(zhuǎn)，有利于產(chǎn)物 2.3。 相同的技術(shù)已成功用于合成具有驅(qū)蟲(chóng)活性的生物活性化合物 Afesal，生產(chǎn)率為 5.3 g h?1。 總體而言，流動(dòng)化學(xué)可以引導(dǎo)反應(yīng)性，使其有利于分子間反應(yīng)而不是分子內(nèi)反應(yīng)，而這在批量中是不可能的。

Fig. 2 Ultra-fast mixing provided by flow technology allows to outpace undesired anionic Fries rearrangement in the functionalization of iodophenyl carbamates at the ortho position. tR: residence time.

        第三個(gè)例子是默克公司的科學(xué)家報(bào)告了采用流動(dòng)化學(xué)來(lái)解決與傳質(zhì)相關(guān)的問(wèn)題，用于合成 verubecestat (MK-8931)。該藥物預(yù)計(jì)將成為治療阿爾茨海默病的突破性藥物。 然而，在后期試驗(yàn)中，該化合物被證明沒(méi)有益處，并且顯示出更多的副作用。在他們最初的合成方法中，關(guān)鍵的中間體 3.3 是通過(guò)將化合物 3.1 衍生的有機(jī)鋰與亞磺酰胺 3.2 在低溫下反應(yīng)來(lái)批量制備的。 條件 (≤60 °C) 具有中等測(cè)定產(chǎn)率 (73%)。 據(jù)作者稱(chēng)，這種適度結(jié)果的原因是混合效率低下：事實(shí)上，一旦陰離子 3.4? 形成，它往往會(huì)過(guò)度反應(yīng)，將 3.2 去質(zhì)子化得到 3.5?（圖 3）。 這最終會(huì)導(dǎo)致變相的選擇性和產(chǎn)量下降； 這對(duì)于混合時(shí)間長(zhǎng)于反應(yīng)時(shí)間的反應(yīng)來(lái)說(shuō)是典型的。通過(guò)切換到流動(dòng)，并通過(guò)在其設(shè)置中加入不同的靜態(tài)混合元件（Koflo Stratos? 混合器），作者設(shè)法將選擇性轉(zhuǎn)向 所需的產(chǎn)物（3.3，5 g h?1，基于測(cè)定產(chǎn)率）并且超過(guò)了親電子試劑的快速去質(zhì)子化。 幾年后，研究人員依靠流動(dòng)化學(xué)將這一過(guò)程擴(kuò)大到中試規(guī)模。

圖 3 在工業(yè)環(huán)境中采用流動(dòng)化學(xué)可以避免在合成3.3（用于制造verubecestat （MK-8931）的中間體）時(shí)出現(xiàn)不希望的快速去質(zhì)子化。STM：靜態(tài)管混合器。

3. 傳熱（Heat transfer）

微通道的高面積體積比使得傳熱比傳統(tǒng)反應(yīng)器(如圓底燒瓶)更有效。有了大的換熱面，可以防止熱點(diǎn)，減少熱失控的危險(xiǎn)。在有機(jī)合成的流動(dòng)化學(xué)中，高效傳熱的主要好處是能夠在等溫條件和過(guò)熱條件下進(jìn)行操作。

微反應(yīng)器的近等溫行為使化學(xué)家能夠精確控制反應(yīng)的溫度，從而提高化學(xué)選擇性和更安全地處理放熱反應(yīng)，如硝化，鹵化和有機(jī)金屬基反應(yīng)。例如，No?l及其同事報(bào)道了一種在流動(dòng)條件下安全、可擴(kuò)展地合成三氟酸二氮化碘銨的方法(圖4)在許多芳基化反應(yīng)中，二芳基碘鎓鹽被廣泛用作芳基親電源，然而，該反應(yīng)是高度放熱的，在大規(guī)模進(jìn)行時(shí)存在重大的安全風(fēng)險(xiǎn)。采用流動(dòng)條件，放熱反應(yīng)的熱交換效率高，可以安全進(jìn)行。通過(guò)這種方式，在室溫條件下，停留時(shí)間從2秒到60秒不等，作者從廣泛的富電子和缺電子芳烴中獲得了以克為單位的不同二芳硫鎓鹽(44個(gè)例子)。

Fig. 4 Use of flow technology for the handling of the exothermic synthesis of diaryliodonium triflates. m-CPBA: meta-chloroperoxybenzoic acid.

同樣，Alcazar等人報(bào)道了在40°C下使用流動(dòng)的鎂填充床反應(yīng)器直接制備格氏試劑，這極大地?cái)U(kuò)展了這種強(qiáng)大方法的應(yīng)用范圍格氏試劑的合成通常需要低溫(<0°C)以避免熱失控的危險(xiǎn)，但這種類(lèi)型的合成可以在室溫流動(dòng)條件下輕松實(shí)現(xiàn)。此外，通過(guò)使用鎂填充床流動(dòng)反應(yīng)器，可以生成新配制的格氏試劑溶液，并在隨后的轉(zhuǎn)化中立即消耗。作為這一特性的一個(gè)例子，No?l和同事開(kāi)發(fā)了一種伸縮鐵催化的C(sp) -C (sp3)交叉耦合轉(zhuǎn)化，從而提高了產(chǎn)率和流動(dòng)選擇性。

圖5 格氏試劑合成與鐵催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)相結(jié)合，在C（sp）–C（sp3）鍵形成。

        在流動(dòng)反應(yīng)器中增強(qiáng)傳熱的另一個(gè)好處是能夠在增加的壓力下處理過(guò)熱反應(yīng)，即將反應(yīng)溫度升高到溶劑的大氣沸騰溫度以上。即使在回流條件下，許多反應(yīng)仍然很慢，但在這種過(guò)熱條件下，使用簡(jiǎn)單的背壓調(diào)節(jié)器（BPR）可以進(jìn)一步提高反應(yīng)速率。例如，盧非酰胺（rufinamide）是一種重要的抗驚厥藥物，在專(zhuān)利和文獻(xiàn)中得到了廣泛的報(bào)道，其合成受益于這種過(guò)熱效應(yīng)。通過(guò)1，2-二氟芐基氮齊3.6的5，1-偶極Huisgen環(huán)加成反應(yīng)與適當(dāng)?shù)挠H二極試劑形成3，2，6-三氮唑前體6.3是合成盧非酰胺的關(guān)鍵步驟。Mudd和Stevens利用無(wú)毒且廉價(jià)的（E）-甲基3-甲氧基丙烯酸酯6.4作為親偶極試劑，獲得了所需的1，4-環(huán)加合物。44然而，該方法需要28小時(shí)的反應(yīng)時(shí)間才能在135°C和無(wú)溶劑條件下實(shí)現(xiàn)完全轉(zhuǎn)化，這帶來(lái)了分解失控的安全問(wèn)題，氣體形成和批處理過(guò)程中伴隨的壓力積聚。No?l和Hessel提出了一種在210 °C和69 bar反應(yīng)條件下的強(qiáng)化方法，顯著提高了反應(yīng)速率，并在僅1分鐘的停留時(shí)間內(nèi)獲得了目標(biāo)的2，3，6-三氮唑前體5.10。45此外，集成分離步驟的 5 階段 3 步連續(xù)合成實(shí)現(xiàn)了 82% 的總產(chǎn)率和 9 g h 的生產(chǎn)率?1盧非酰胺前體。該過(guò)程最大限度地減少了高能中間體的分離和處理，同時(shí)最大限度地減少了水和有機(jī)溶劑的消耗。

圖6 過(guò)熱條件下盧非酰胺前驅(qū)體的5級(jí)多步流動(dòng)合成示意圖。乙二醇：乙烯四氟乙烯。

4. 多步合成（Multi-step synthesis）

在“單一、連續(xù)和不間斷的反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)”中簡(jiǎn)化多種轉(zhuǎn)換的可能性是流動(dòng)化學(xué)提供的誘人的機(jī)會(huì)。事實(shí)上，批量多步合成是一項(xiàng)繁瑣、耗時(shí)和勞動(dòng)密集型的工作。例如，通常必須先純化一個(gè)步驟的產(chǎn)物，然后才能執(zhí)行后續(xù)步驟。相比之下，有機(jī)化學(xué)家可以使用單流、多步合成方法來(lái)加快他們的合成路線。然而，要取得成功，必須解決一些主要挑戰(zhàn)，例如溶劑相容性和副產(chǎn)物形成，這通常需要在線純化策略。

Jamison及其同事報(bào)告了抗生素利奈唑胺（antibiotic linezolid）的連續(xù)流動(dòng)合成，通過(guò)結(jié)合七個(gè)連續(xù)步驟而不純化任何中間體（圖7A）。值得注意的是，所有步驟都是相互兼容的，既不需要溶劑更換，也不需要中間檢查。整個(gè)過(guò)程涉及基于三個(gè)模塊的收斂綜合。在第一個(gè)模塊中，將（+）-環(huán)氧氯丙烷7.1與三氟化硼醚酸鹽在乙腈存在下作為化學(xué)計(jì)量路易斯酸反應(yīng)，得到相應(yīng)的Ritter產(chǎn)物;其次，在堿性條件下實(shí)現(xiàn)環(huán)氧化物形成得到7.2。其次，與第一個(gè)模塊并行，通過(guò)S從硝基芳烴7.4獲得苯胺7.3 N用嗎啉氪和隨后用鈀填充床反應(yīng)器進(jìn)行非均相加氫。在第三個(gè)模塊中，將含有7.2和7.4的鏈合并，在與N，N-羰基二咪唑（7.6）反應(yīng)后得到利奈唑胺（7.5）。總體而言，利奈唑胺的合成率為73%，總停留時(shí)間為27分鐘，相當(dāng)于816 mg h的生產(chǎn)率?1.該協(xié)議展示了如何仔細(xì)調(diào)整反應(yīng)條件和流動(dòng)參數(shù)以加速藥物的合成：值得注意的是，相應(yīng)的批量合成需要60多個(gè)小時(shí)。

圖7 流動(dòng)化學(xué)在多步合成中的應(yīng)用PAT：過(guò)程分析技術(shù)。TFAA：三氟乙酸酐。

有趣的是，多步流合成的概念也受到了制藥行業(yè)的極大關(guān)注。與批量生產(chǎn)相比，連續(xù)制造在提高性能和安全性以及減少資本支出方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)采用小批量連續(xù)制造（SVCM）的概念時(shí)，情況更是如此。在這種情況下，適合靈活環(huán)境的小型設(shè)備（例如標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)柜）以連續(xù)方式運(yùn)行，以達(dá)到每天幾公斤的生產(chǎn)率。例如，禮來(lái)公司的科學(xué)家報(bào)告了利用SVCM概念以千克規(guī)模合成prexasertib單乳酸一水合物（一種檢查點(diǎn)激酶1抑制劑）的合成（圖7B）從化合物7.7開(kāi)始，與有害NH反應(yīng)制得吡唑7.82新罕布什爾州2：與分批不同，流動(dòng)方法只需要略微過(guò)量的肼，并允許最大限度地減少對(duì)操作員的暴露。在自動(dòng) 20 L 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中更換溶劑后，SNAr與吡嗪7.9進(jìn)行反應(yīng)得到化合物7.10，該化合物使用兩個(gè)混合懸浮液，混合產(chǎn)物去除容器通過(guò)連續(xù)結(jié)晶純化。除了省時(shí)之外，這種定制純化解決方案還消除了操作員暴露于7.10（職業(yè)暴露限值為1 mg m）的可能性?3).最后，在脫落鏈丁二醇保護(hù)并形成乳酸鹽后，得到普雷沙替布單乳酸一水合物（7.11）?？傮w而言，研究人員能夠生產(chǎn)24公斤用于人體臨床試驗(yàn)的藥物。需要強(qiáng)調(diào)的是，在連續(xù)流動(dòng)過(guò)程中廣泛使用了過(guò)程分析技術(shù)（PAT），允許進(jìn)行明智的過(guò)程調(diào)整，以確保高質(zhì)量的最終產(chǎn)品質(zhì)量。

作為最后一個(gè)例子，Ley及其同事通過(guò)利用固定化試劑，清除劑和捕獲/釋放技術(shù)的概念報(bào)告了生物堿oxomaritidine（7.15）的多步合成（圖7C）。使用此策略，作者開(kāi)發(fā)了一種自動(dòng)流動(dòng)序列，在不到一天的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生oxomaritidine。首先，利用疊氮化物交換樹(shù)脂將化合物7.12轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的疊氮化物;流出的流被引導(dǎo)到含有聚合物負(fù)載的磷化氫的第二根色譜柱上。形成氮雜-維蒂格中間體并保留在色譜柱中的樹(shù)脂上。同時(shí)，苯甲醇7.13通過(guò)采用預(yù)填充的四甲基培魯酸銨柱氧化成醛，隨后流通過(guò)含有氮雜-Wittig中間體的柱形成目標(biāo)亞胺。然后還原后一種化合物，在手動(dòng)溶劑切換后，將仲胺三氟乙?；?。在最終序列中，氧化酚偶聯(lián)，N-脫保護(hù)和自發(fā)環(huán)化提供了靶向的氧馬里替丁。有趣的是，固定化試劑的使用減少了平臺(tái)所需的泵總數(shù)，降低了整個(gè)流動(dòng)方法的成本。然而，這種策略的一個(gè)潛在缺點(diǎn)是，整個(gè)過(guò)程的生產(chǎn)率取決于填充床濾芯中裝載的固定化試劑的數(shù)量，并受到其限制。

5. 光化學(xué)（Photochemistry）

連續(xù)流動(dòng)技術(shù)在合成活動(dòng)中通常與光化學(xué)和光催化相結(jié)合，使其成為流動(dòng)化學(xué)最受歡迎的應(yīng)用。光吸收受朗伯比爾定律控制，導(dǎo)致光強(qiáng)度在通過(guò)含有光子吸收分子的反應(yīng)混合物時(shí)迅速下降。因此，反應(yīng)器的中心幾乎沒(méi)有接收到光，從而形成了一個(gè)沒(méi)有反應(yīng)發(fā)生的“暗區(qū)”。通過(guò)利用微反應(yīng)器技術(shù)，整個(gè)反應(yīng)混合物經(jīng)歷相同的光強(qiáng)度，從而縮短反應(yīng)時(shí)間，減少有害副產(chǎn)物的形成并提高生產(chǎn)率。

No?l及其同事報(bào)道了使用流動(dòng)化學(xué)開(kāi)發(fā)一種可擴(kuò)展和加速的方案，通過(guò)十鎢酸鹽光催化HAT形成C(sp3) -H鍵的正式胺化(圖8)為了實(shí)現(xiàn)C-N鍵的形成，作者利用氮雜二羧酸的氫烷基化在流動(dòng)中傳遞boc保護(hù)的肼定制的光化學(xué)反應(yīng)器由全氟烷氧基毛細(xì)管反應(yīng)器(PFA, 750 μm ID, 5 mL體積)組成，由風(fēng)扇冷卻，由6個(gè)可調(diào)光的高強(qiáng)度UV-A片上led照射，最大光功率為144w。當(dāng)含有8.1和8.2的CH3CN/HCl0.1M 7[薄間距(1/6-em)]:[薄間距(1/6-em)]1溶液在TBADT (0.2 mol%)存在下輻照(λ = 365 nm, 144 W)時(shí)，化合物8.3的收率為73%(對(duì)應(yīng)于12 mmol h?1)。有了這項(xiàng)強(qiáng)大的新技術(shù)，作者通過(guò)簡(jiǎn)單地調(diào)整流量和毛細(xì)管長(zhǎng)度，將8.3公斤/天的生產(chǎn)率提高到2.15公斤/天。此外，還開(kāi)發(fā)了縮合法合成吡唑(8.4)和酞嗪酮(8.5)。總的來(lái)說(shuō)，與批量方法相比，流動(dòng)方法可以提高反應(yīng)效率，在單個(gè)光化學(xué)微反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)小規(guī)模(1 mmol)和中試規(guī)模(>1 kg)的操作。

圖8 流動(dòng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)C（sp3）–H 鍵。

另一個(gè)最近的例子涉及通過(guò)流動(dòng)中的伸縮方法對(duì)未激活的C(sp3) -H鍵進(jìn)行模塊化烯丙化(圖9)在此，作者將十鎢酸鹽光催化與經(jīng)典的霍納-瓦茲沃斯-埃蒙斯(HWE)烯烴化學(xué)結(jié)合起來(lái)，利用流動(dòng)化學(xué)固有的模塊化，在烯丙基官能團(tuán)上附加氫烷烴。首先，將由丙烯酸酯9.2、苯二唑9.1和十鎢酸鹽組成的乙腈溶液作為光催化劑，注入裝有60 W UV-A LED光源(λ = 365 nm)的Vapourtec UV-150光化學(xué)反應(yīng)器(tR = 5 min)中，生成相應(yīng)的Giese加合物。相比之下，當(dāng)同樣的反應(yīng)在批量進(jìn)行時(shí)，僅在20小時(shí)后達(dá)到完全轉(zhuǎn)化。其次，含有Giese加合物的流程隨后與含有LiOtBu和多聚甲醛的流程合并，以進(jìn)行HWE烯烴。通過(guò)這樣做，烯化產(chǎn)物9.3的總收率為70%，無(wú)需中間純化。所開(kāi)發(fā)的兩步流程隨后可以擴(kuò)展到各種脂肪族和芳香醛，以及氘化多聚甲醛，以制備各種高功能化的烯丙化化合物。這些部分很難通過(guò)傳統(tǒng)的自由基烯丙化方法制備。

Fig. 9 Use of flow chemistry to devise a flexible approach for the installation of allyl moieties at strong aliphatic C(sp3)–H bonds.

作為最后一個(gè)例子，默克公司的科學(xué)家報(bào)告了一種可擴(kuò)展的連續(xù)流光化學(xué)工藝，用于中間體10.1的溴化，這是生產(chǎn)用于治療腎細(xì)胞癌的藥物貝組替凡(belzutifan)(圖10)所必需的。在傳統(tǒng)的合成路線中，以偶氮二異丁腈(AIBN)為引發(fā)劑，以試劑10.2為溴源，實(shí)現(xiàn)自由基溴化。在這些反應(yīng)條件下，10.1相對(duì)不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生突然的二溴化和脫氫。用藍(lán)光代替AIBN，可以方便地停止反應(yīng)，在3分鐘內(nèi)得到91% LCAP(液相色譜面積百分比)的產(chǎn)品。采用流動(dòng)技術(shù)，分三步逐步擴(kuò)大工藝規(guī)模。在第一步中，3.5 kg的10.1在88 LCAP下轉(zhuǎn)化為10.3，停留時(shí)間為3.75分鐘，檢測(cè)收率為94%;第二步，50kg的10.1在91 LCAP下轉(zhuǎn)化為10.3，停留時(shí)間為1.5分鐘，檢測(cè)收率為93%。最后，研究人員采用了一種計(jì)數(shù)方法，每天提供超過(guò)100公斤的產(chǎn)品(91 LCAP和94%的分析收率)。在這種情況下，流動(dòng)化學(xué)提供的合成優(yōu)勢(shì)是提高了化學(xué)選擇性，因?yàn)樗梢跃_控制反應(yīng)時(shí)間，從而防止了不希望的反應(yīng)，如10.1的過(guò)溴化。

圖10在工業(yè)環(huán)境中采用流動(dòng)化學(xué)來(lái)提高化學(xué)選擇性和促進(jìn)合成10.3的可擴(kuò)展性，10.3是合成belzutifan的中間體。

6. 電化學(xué)（Electrochemistry）

另一個(gè)從采用微流體技術(shù)中受益匪淺的領(lǐng)域是電化學(xué)。根據(jù)定義，電化學(xué)反應(yīng)是非均相反應(yīng)過(guò)程，因?yàn)樗鼈円蕾?lài)于電極表面和溶液中分子之間的氧化還原事件。因此，從bulk到電極表面的傳質(zhì)成為一個(gè)非常重要的考慮因素。然而，使用微流體設(shè)置，由于較大的表面體積比，傳質(zhì)不良的影響可以最小化。值得注意的是，微反應(yīng)器中的小電極間距離減少了觀察到的歐姆壓降，從而能夠凈減少反應(yīng)混合物中所需的支持電解質(zhì)量。

Buchwald，Jensen等人之間的合作努力導(dǎo)致了μRN-eChem（微流體氧化還原中性電化學(xué)）細(xì)胞的開(kāi)發(fā)，以執(zhí)行氧化還原中性轉(zhuǎn)化（圖11）。雖然這些轉(zhuǎn)化原則上可以在光氧化還原催化條件下運(yùn)行，但使用光催化劑可能會(huì)帶來(lái)一些不便，例如氧化還原電位的調(diào)整具有挑戰(zhàn)性，使用昂貴的過(guò)渡金屬以及光催化劑在操作條件下的不穩(wěn)定性。流通池由兩個(gè)激光微加工的玻璃碳電極組成，由厚度減?。?5 μm）的FEP墊圈隔開(kāi)。由于電極間距離短，可以減少電極間遷移所需的時(shí)間（由以下等式控制：t = d2/D;d：電極間距離，d：分子擴(kuò)散率）顯著，使其比電解時(shí)產(chǎn)生的開(kāi)殼中間體的壽命短，這為高效氧化還原中性歧管鋪平了道路。例如，作者將Kolbe電解與芳烴還原相結(jié)合，通過(guò)利用持續(xù)的自由基效應(yīng)來(lái)開(kāi)發(fā)脫羧芳基化。因此，芳烴11.2在陰極處被還原，產(chǎn)生持久性自由基陰離子11.2˙?;后者自由基中間體向陽(yáng)極遷移，Kolbe電解產(chǎn)生瞬態(tài)烷基自由基。隨后發(fā)生自由基-自由基陰離子偶聯(lián)，使脫氰后得到芳基產(chǎn)物11.3。有趣的是，小的電極間間隙也減少了歐姆壓降，從而消除了對(duì)額外支撐電解質(zhì)的需求。類(lèi)似的方法可用于不同的烷基自由基祖細(xì)胞（例如，芳胺或三氟硼酸鹽）。

Fig. 11 Microfluidic electrochemical cells with short inter-electrode gaps enable redox-neutral transformations in the absence of supporting electrolytes. GC: glassy carbon.

        Baran及其同事使用流動(dòng)電化學(xué)方法合成化合物12.2，這是合成含環(huán)丁烷的四硝酸酯的中間體（圖12）。其中一種化合物，即環(huán)丁烷-1，1，2，2-四基四（亞甲基）四硝酸酯（12.3），被證明是一種有價(jià)值的潛在可熔澆注能劑。由于合成12.2的原始路線在安全性和費(fèi)用方面提出了一些問(wèn)題，75作者渴望找到更實(shí)用的替代方案。合成化合物12.1，先由美德魯姆酸開(kāi)始，然后酸性水解;接著，采用電解條件促進(jìn)環(huán)化，得到化合物12.2。在最初的路線中，后一步是分批進(jìn)行的，并且需要在相對(duì)較小的尺度（克級(jí)）上使用昂貴的電極（例如，Pt）。然而，作者設(shè)法通過(guò)使用廉價(jià)的電極將反應(yīng)轉(zhuǎn)化為120克規(guī)模的流動(dòng)：一個(gè)石墨陽(yáng)極和兩個(gè)不銹鋼陰極，以單極方式連接。在 10.2 A 的恒電流條件下，在 5 小時(shí)內(nèi)達(dá)到完全電解，提供約 100 g 的 12.2（分離后產(chǎn)率為 85%），這相當(dāng)于 10.1 g h 的生產(chǎn)率?1.相比之下，當(dāng)反應(yīng)在5 g規(guī)模上分批運(yùn)行時(shí)，生產(chǎn)率為0.75 g h?1實(shí)現(xiàn)了。最后，通過(guò)Red-Al還原和酯化反應(yīng)將化合物12.2轉(zhuǎn)化為12.3。總體而言，流動(dòng)化學(xué)在這種特定情況下能夠直接安全地?cái)U(kuò)大增值中間體（12.2），這應(yīng)該有助于開(kāi)發(fā)12.3的安全工業(yè)過(guò)程。

Fig. 12 Flow electrochemistry facilitates the safe scale-up of a promising melt-castable energetic intermediate. C: graphite electrode; S. S: stainless steel electrode.

流動(dòng)電化學(xué)對(duì)化學(xué)工業(yè)也極具吸引力，因?yàn)樗軌蚴褂脕?lái)自太陽(yáng)能和風(fēng)能的“綠色”電力。此外，電極間間隙的減小帶來(lái)了一系列降低電化學(xué)反應(yīng)成本的優(yōu)勢(shì)。事實(shí)上，促進(jìn)反應(yīng)性所需的電壓通常較低（由于過(guò)電位降低），這也允許減少昂貴的支持電解質(zhì)的量，從而促進(jìn)純化過(guò)程。與間歇式電化學(xué)相比，流動(dòng)電化學(xué)也更安全，因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)更嚴(yán)格的熱管理控制，避免熱失控，由于其連續(xù)性，它還可以防止死區(qū)（即反應(yīng)器中反應(yīng)混合物停滯的區(qū)域）的發(fā)生。

最近，默克公司的科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種可擴(kuò)展的流動(dòng)工藝，用于硫醚的選擇性陽(yáng)極氧化。在此過(guò)程中，硫醚（13.1）被氧化成相應(yīng)的砜（13.2）（圖13）。化合物13.1是候選藥物的片段，但其與經(jīng)典氧化劑（例如，氧酮，間CPBA，高碘酸鹽或鎢酸鹽）的化學(xué)氧化導(dǎo)致相應(yīng)的亞砜和砜的復(fù)雜混合物。經(jīng)過(guò)短暫的批量反應(yīng)優(yōu)化后，作者通過(guò)利用再循環(huán)模式操作成功地將他們的方案轉(zhuǎn)化為流動(dòng)。通過(guò)系統(tǒng)地增加電極表面積，同時(shí)保持電流密度和電子當(dāng)量恒定，可以將該過(guò)程從克級(jí)逐漸擴(kuò)展到千克級(jí)。最終，可以使用 1.11 厘米準(zhǔn)備 13.2 公斤的 1600 公斤2電極并施加 30 mA cm 的電流密度?2，電流為 48 A，4.5 F mol?1，大約19小時(shí)的加工時(shí)間，因此符合試生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)（每天1.21公斤）。

Fig. 13 Adoption of flow electrochemistry in an industrial context for the highly scalable, selective anodic oxidation of thioether 13.1. trecirc: time of recirculation.

7. 安全

除了微反應(yīng)器的快速傳熱和傳質(zhì)技術(shù)外，由于反應(yīng)器體積小和反應(yīng)條件的精確控制，該過(guò)程的整體安全性大大提高。危險(xiǎn)反應(yīng)，甚至在常規(guī)條件下不可能的反應(yīng)，可以在流動(dòng)條件下以相對(duì)較低的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行，例如涉及有毒、反應(yīng)性氣體和爆炸性試劑的過(guò)程。

在現(xiàn)代合成實(shí)驗(yàn)室中，有毒和危險(xiǎn)氣體的使用受到高度限制。為了進(jìn)行基于氣體的轉(zhuǎn)化并獲得良好的結(jié)果，需要帶有多個(gè)探測(cè)器的專(zhuān)用高壓氣體反應(yīng)器。這就是為什么直接使用分子氧的原因作為一種簡(jiǎn)單的綠色氧化劑，不鼓勵(lì)在傳統(tǒng)的批處理系統(tǒng)中使用。然而，No?l等人開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)單，選擇性，安全的去脫鎢酸鹽光催化C（sp3流動(dòng)條件下的 ）–H 鍵（圖 14）。氧氣流由質(zhì)量流量控制器（MFC）輸送，并與注射泵注入的液體流合并，在連續(xù)流光反應(yīng)器（PFA管，內(nèi)徑750μm）中提供均勻的分段流態(tài)。3400 至 9000 m 的典型界面區(qū)域2m?3可以通過(guò)泰勒再循環(huán)模式獲得導(dǎo)致氧氣和液體溶液之間的理想混合。在90分鐘的停留時(shí)間和5摩爾%TBADT負(fù)載內(nèi)，作者證明青蒿素（14.1）可以用這種方法轉(zhuǎn)化為其天然衍生物青蒿酮-9，產(chǎn)量為59%（14.2，5毫摩爾量）。此外，大多數(shù)活化和未活化的脂肪族鍵（30個(gè)例子），如（?）-氨溴氧化物14.3，孕烯醇酮乙酸酯14.4，桉樹(shù)醇14.5和（+）-鐮內(nèi)酯14.6，可以選擇性氧化，產(chǎn)率為中度至極佳（43-91%）。

Fig. 14 Decatungstate-mediated C(sp3)–H oxidation with oxygen in continuous flow. TBADT: Tetra-n-butylammonium decatungstate.

除了安全處理流動(dòng)中的有毒試劑外，微反應(yīng)器技術(shù)還允許生成和利用敏感的反應(yīng)中間體，而無(wú)需存儲(chǔ)危險(xiǎn)數(shù)量的材料。例如，三氧化二氮（N2O3）是一種強(qiáng)大的亞硝化試劑，具有吸引人的原子經(jīng)濟(jì)性，但它僅在低溫條件下和NO氣氛下穩(wěn)定。此外，純N2O3的亞硝化速度快，放熱程度高，這限制了其在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)中的使用。最近，Monbaliu等人開(kāi)發(fā)了一種用于合成和使用無(wú)水N2O3溶液的連續(xù)流動(dòng)方法，最大限度地減少了與這種有毒氣體和放熱反應(yīng)相關(guān)的安全問(wèn)題(圖15)。無(wú)水N2O3溶液(高達(dá)1 M)在流動(dòng)裝置中生成，使用NO和O2流作為起始材料。采用縮合法合成了兩類(lèi)n -雜環(huán)化合物(即苯并三唑15.1和3-取代酮，>30個(gè))，收率中等至優(yōu)異(54-99%)。

圖15 連續(xù)流設(shè)置，用于生成 N2O3以及隨后在綜合相關(guān)環(huán)境中的使用。CV：止回閥;6PV：六位開(kāi)關(guān)閥。MFC：質(zhì)量流量控制器。

重氮鹽通常不穩(wěn)定，在合成轉(zhuǎn)化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量氮?dú)猓谂肯到y(tǒng)中擴(kuò)大規(guī)?？赡軙?huì)出現(xiàn)問(wèn)題，并引發(fā)許多安全問(wèn)題。諾華的化學(xué)家報(bào)告了一種可擴(kuò)展的多步驟連續(xù)流程合成2h -吲哚的方法，其中危險(xiǎn)的重氮鹽和疊氮化學(xué)物質(zhì)以200克的規(guī)模安全地處理(圖16)關(guān)鍵中間體2h -吲哚唑16.5用于合成化合物16.6，這是一種治療自身免疫性疾病的高效選擇性抑制劑。研究人員首先以氨基醛16.1為合成原料，采用亞硝酸鈉與三氟乙酸重氮疊氮化工藝，再與疊氮化鈉在較低溫度下反應(yīng)得到疊氮化16.3。研究人員沒(méi)有分離后一種化合物，而是在二氯乙烷中獲得0.3 M的疊氮化物溶液(產(chǎn)率91%，生產(chǎn)率14.1 g h - 1)。疊氮化物溶液進(jìn)一步濃縮至0.45 M后，與胺16.4通過(guò)兩個(gè)10 mL銅圈進(jìn)行環(huán)化反應(yīng)，得到純度為94%、收率為95%(總收率為86%)的吲哚唑16.5 217 g。然后使用16.5，在后續(xù)步驟中無(wú)需額外純化即可獲得高質(zhì)量和可接受收率的目標(biāo)化合物16.6。值得注意的是，連續(xù)流動(dòng)程序適用于擴(kuò)大規(guī)模，只需稍加修改，在每公斤規(guī)模上提供16.5。

圖16 吲唑16.5的連續(xù)流動(dòng)合成，涉及含有重氮鹽和疊氮化物生成的三步合成序列。三氟乙酸：三氟乙酸。

8. 可擴(kuò)展性

在大規(guī)模生產(chǎn)中使用流動(dòng)化學(xué)與傳統(tǒng)的批量化學(xué)相比有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，其中包括在不犧牲反應(yīng)性能的情況下更容易將實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的反應(yīng)適應(yīng)于更大規(guī)模的生產(chǎn)。有兩種方法可用于擴(kuò)大流動(dòng)化學(xué)反應(yīng)的規(guī)模:增加數(shù)量和增加尺寸。增加數(shù)量涉及到增加微反應(yīng)器中通道的數(shù)量，而增加尺寸則涉及到增加通道的長(zhǎng)度和/或直徑。這些策略可以用微反應(yīng)器體積的數(shù)學(xué)公式來(lái)描述，其中V、N、L和D分別代表反應(yīng)器的體積、通道數(shù)量、通道長(zhǎng)度和通道直徑。

瑞德西韋是美國(guó)FDA批準(zhǔn)的第一種COVID-19藥物，由于COVID-19大流行的迅速蔓延，它一直備受追捧。邁向瑞德西韋的合成途徑始于鹵代吡咯基三嗪胺17.1與芐基保護(hù)的D-核糖內(nèi)酯17.2的C-糖基化，以獲得關(guān)鍵中間體17.3，這被認(rèn)為是大規(guī)模生產(chǎn)的障礙。88,89所報(bào)道的使用有機(jī)鋰試劑的有機(jī)金屬步驟由于其快速和放熱特性，通常需要較長(zhǎng)的添加時(shí)間和低溫，同時(shí)從流動(dòng)系統(tǒng)的增強(qiáng)質(zhì)量和傳熱中受益最大。Kappe等人報(bào)告了一種五步連續(xù)流動(dòng)過(guò)程，促進(jìn)了這種高度放熱的C-糖基化（圖17A）。在將報(bào)告的反應(yīng)條件轉(zhuǎn)化為流動(dòng)之前，他們分批重復(fù)反應(yīng)以排除潛在問(wèn)題，例如在第一步中加入1，2-雙（氯二甲基硅基）乙烷（BCDSE）后直接形成固體。沉淀被認(rèn)為是雜環(huán)17.1的質(zhì)子化副產(chǎn)物，其形成將導(dǎo)致微反應(yīng)器堵塞。在環(huán)境溫度下，確實(shí)在大約5 s內(nèi)觀察到固體，只留下一個(gè)狹窄的窗口來(lái)添加用于清除HCl的堿。如此短的停留時(shí)間在流動(dòng)中很容易實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)反應(yīng)順序的仔細(xì)分析和對(duì)工藝參數(shù)的精確控制，作者在中等溫度（-60°C）下實(shí)現(xiàn)了17%的糖基化產(chǎn)物3.30的產(chǎn)率，總停留時(shí)間僅為8 s。進(jìn)一步證明了穩(wěn)定且可擴(kuò)展的過(guò)程持續(xù)2小時(shí)（圖17B），提供8.5g h的通量?1（10.4 千克 L?1h?1時(shí)空產(chǎn)率），反應(yīng)器體積僅為 0.815 mL。這些結(jié)果表明，利用流動(dòng)中的一般放大策略（例如數(shù)量增加），有可能實(shí)現(xiàn)更高產(chǎn)量的關(guān)鍵糖基化中間體17.3和瑞德西韋。

圖17 生成瑞德西韋中間體的連續(xù)流動(dòng)過(guò)程。LDA：二異丙基酰胺鋰。

數(shù)量是流動(dòng)化學(xué)放大的常見(jiàn)策略，因?yàn)樗軌虮Ａ襞c微環(huán)境相關(guān)的流體動(dòng)力學(xué)和傳遞特性（例如，混合、傳熱、輻照效率）。這允許在與單個(gè)微反應(yīng)器相同的條件下發(fā)生反應(yīng)。Kim及其同事介紹了一種超快亞秒級(jí)化學(xué)的放大過(guò)程，通過(guò)16個(gè)數(shù)量的印刷金屬微反應(yīng)器（16N-PMR）合成藥物支架。如前所述，與有機(jī)鋰試劑的反應(yīng)快速且高放熱。為了精確控制鋰化中間體，最佳停留時(shí)間約為 16 ms，流速為 7.5 mL min?1使用，這在微反應(yīng)器中產(chǎn)生了顯著的壓降。為了解決這個(gè)問(wèn)題，作者開(kāi)發(fā)了一種具有更大圓形通道直徑的改進(jìn)微反應(yīng)器，在相同的流動(dòng)條件下將壓降降低了28倍（圖18A）。在模擬了內(nèi)部分叉分布器的不均分布因子（<1%）后，制造了具有驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的單片4N-PMR，并通過(guò)超快化學(xué)進(jìn)一步證明了這一點(diǎn)，使84種產(chǎn)品的產(chǎn)率為99-12%。為了進(jìn)一步擴(kuò)大這種類(lèi)型的化學(xué)應(yīng)用，通過(guò)連接四個(gè)16N-PMR和四個(gè)帶有4/1英寸管的外部流量分配器來(lái)組裝8N-PMR（圖18B）。16N-PMR模塊表現(xiàn)出1-2 g（最小值）的高輸出效率?1（每天約3公斤）三個(gè)藥物支架18.1b-18.3b。

Fig. 18 Scale-up strategy for an ultrafast sub-second flash chemistry exploiting aryllithium intermediates using numbered-up 3D-printed microreactors. 

        除了被動(dòng)微反應(yīng)器（利用泵提供的流動(dòng)能量誘導(dǎo)混合）外，還通常使用利用外部能量的主動(dòng)微反應(yīng)器，特別是用于擴(kuò)大異相化學(xué)規(guī)模。已經(jīng)報(bào)道了多種類(lèi)型的主動(dòng)連續(xù)反應(yīng)器，例如rotating disk reactors,oscillatory flow reactors,thin-film rotating reactors,98 CSTR99和ultrasonic reactors。為了證明這種流動(dòng)化學(xué)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，Van der Schaaf和No?l等人報(bào)告了一種高通量光化學(xué)轉(zhuǎn)子 - 定子旋轉(zhuǎn)盤(pán)式反應(yīng)器（pRS-SDR），以增強(qiáng)氣液傳質(zhì)并執(zhí)行α-松油烯的大規(guī)模氣液光氧合（19.1）。93上一份報(bào)告103,104一些批次和流動(dòng)的初步實(shí)驗(yàn)（將選擇性從50%提高到70%）表明，更好的光照射和傳質(zhì)對(duì)這種轉(zhuǎn)化至關(guān)重要，由于過(guò)氧化和三重態(tài)氧氧化而遭受有害的副反應(yīng)。此外，由于氣體分散性差以及與頂空富氧環(huán)境相關(guān)的危險(xiǎn)情況的可能性，在間歇系統(tǒng)中擴(kuò)大氣液氧化化學(xué)規(guī)模具有挑戰(zhàn)性。開(kāi)發(fā)的pRS-SDR可以通過(guò)位于短距離（1-2 mm）的兩個(gè)定子之間的快速旋轉(zhuǎn)盤(pán)實(shí)現(xiàn)氣液相的高效分散和快速混合（圖19A），從而提高傳質(zhì)速率，105有利于氣液轉(zhuǎn)化。反應(yīng)溶液通過(guò) 120 W 白光 LED 光源從石英窗口照射，發(fā)光體積為 27 mL。在研究了所有反應(yīng)參數(shù)（例如氣液比和轉(zhuǎn)速）后，蛔蟲(chóng)1.1的生產(chǎn)率為每天19.2 kg（87%產(chǎn)率和90%選擇性），停留時(shí)間僅為27 s，這令人信服地證明了在pRS-SDR中獲得的增強(qiáng)傳質(zhì)速率對(duì)于實(shí)現(xiàn)出色的多相變至關(guān)重要。

Fig. 19 Scale up of the [4 + 2] cycloaddition between terpinene and photochemically generated singlet oxygen using rotor-stator spinning disk reactor technology.

9. 高通量實(shí)驗(yàn)和自動(dòng)化（High-throughput experimentation and automation）

通過(guò)將高通量實(shí)驗(yàn)(HTE)與過(guò)程分析技術(shù)(PAT)相結(jié)合，可以高效地利用豐富的數(shù)據(jù)對(duì)連續(xù)流反應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化(圖20)。這種集成的結(jié)果是快速數(shù)據(jù)采集，閉環(huán)實(shí)驗(yàn)，并提高了有機(jī)合成在流動(dòng)中的發(fā)現(xiàn)和再現(xiàn)性，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)或算法驅(qū)動(dòng)的自主實(shí)驗(yàn)。

圖20 自動(dòng)化和模塊化連續(xù)流平臺(tái)的一般配置。

基于批處理的 HTE106,存在一些限制，例如缺乏壓力和溫度篩選，需要非揮發(fā)性溶劑以及交叉污染的可能性。相比之下，輝瑞研究人員表明，只需添加一個(gè)背壓調(diào)節(jié)器，就可以有效地處理帶有兩個(gè) LC/MS 儀器的基于流動(dòng)的 HTE，以在高壓和高溫條件下篩選數(shù)千個(gè) Pd 催化的鈴木-宮浦偶聯(lián)，從而能夠以每天超過(guò) 5760 個(gè)樣品的速度產(chǎn)生包含 1500 個(gè)反應(yīng)的大型數(shù)據(jù)集。

Stephenson及其同事還為基于液滴的HTE開(kāi)發(fā)了一種基于液滴的微流體平臺(tái)，以生成與藥物相關(guān)的化合物庫(kù)（圖21）。該平臺(tái)利用振蕩流光反應(yīng)器和電噴霧電離質(zhì)譜（ESI-MS）來(lái)分析反應(yīng)。ESI-MS的通量為每秒0.3個(gè)樣品，可檢測(cè)到37個(gè)命中條件，21個(gè)選定的反應(yīng)中有1個(gè)通過(guò)產(chǎn)物分離成功驗(yàn)證。這種基于液滴的方法可以快速發(fā)現(xiàn)光化學(xué)反應(yīng)并生成流動(dòng)化合物庫(kù)（例如，21.1–21.3）。

圖 21 開(kāi)發(fā)基于液滴的 flow-HTE 平臺(tái)，以節(jié)省時(shí)間和資源高效的方式準(zhǔn)備 API 庫(kù)。

越來(lái)越多的研究人員一直在探索自動(dòng)化伸縮多步流動(dòng)合成，一種常見(jiàn)的方法是以線性順序組合模塊化單元設(shè)備，稱(chēng)為“樂(lè)高類(lèi)合成”。過(guò)程分析技術(shù)（PAT）工具和高級(jí)數(shù)據(jù)分析模型的集成可以進(jìn)一步提高對(duì)反應(yīng)的理解并加快優(yōu)化速度。也有關(guān)于獨(dú)特方法的報(bào)道，例如具有中央樞紐和單個(gè)反應(yīng)器的激進(jìn)合成器，能夠儲(chǔ)存化學(xué)中間體并消除先前步驟的限制。使用這種策略，制備了幾種盧非酰胺類(lèi)似物，而無(wú)需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行物理重新配置。

        另一種方法結(jié)合了固相合成和連續(xù)流動(dòng)化學(xué)，以執(zhí)行活性藥物成分（API）的自動(dòng)多步合成（圖22).在該方法中，起始材料共價(jià)連接到固體載體上，并通過(guò)使用不同試劑的順序處理進(jìn)行生長(zhǎng)，避免中間分離和相容性問(wèn)題。緊湊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括多位置選擇閥、泵和不銹鋼柱式反應(yīng)器，能夠在65小時(shí)內(nèi)以32%的分離率進(jìn)行prexasertib的六步合成。這些程序被轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)化學(xué)配方文件（CRF），并成功用于合成23種prexasertib類(lèi)似物，產(chǎn)率為中等至良好（例如，22.1-22.6%，49-70%）。

圖22 prexasertib及其衍生物的自動(dòng)SPS流合成示意圖。

除了使用人工干預(yù)來(lái)完善自動(dòng)化連續(xù)流平臺(tái)外，算法驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化作為一種探索高維化學(xué)空間并以更少的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)最佳條件的方法，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都受到了極大的關(guān)注。應(yīng)用于自我優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的算法主要有三種類(lèi)型： 局部?jī)?yōu)化算法，例如實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) （DoE）和內(nèi)爾德-米德單純形，全局優(yōu)化算法，如SNOBFIT和貝葉斯優(yōu)化，以及深度學(xué)習(xí)算法，如深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)。

Jensen等人是這個(gè)不斷發(fā)展的領(lǐng)域的先驅(qū)，他們開(kāi)發(fā)了各種版本的自動(dòng)連續(xù)流平臺(tái)，包括冰箱大小的可重新配置平臺(tái)，一個(gè)“即插即用”的平臺(tái)，和一個(gè)機(jī)器人平臺(tái)。他們的最新開(kāi)發(fā)是貝葉斯優(yōu)化驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化機(jī)器人流平臺(tái)，其中包括計(jì)算機(jī)輔助合成規(guī)劃（CASP），多目標(biāo)優(yōu)化和機(jī)器人增強(qiáng)的多步合成（圖 23）。為了證明該平臺(tái)的強(qiáng)大功能，作者使用開(kāi)源CASP軟件（ASKCOS）和人工評(píng)估合成可行性，為分子sonidegib 23.4選擇了高排名的合成途徑。然后在模塊化平臺(tái)上優(yōu)化該途徑，該平臺(tái)包括一個(gè)快速移動(dòng)的 4 軸龍門(mén)機(jī)器人、兩種類(lèi)型的反應(yīng)器（加熱床和填充床）和三個(gè)分析模塊（在線 FT-IR、LC-MS、HPLC）。在使用貝葉斯優(yōu)化算法的多步活動(dòng)中考慮了五個(gè)優(yōu)化變量（兩個(gè)分類(lèi)參數(shù)，即活化試劑和偶聯(lián)反應(yīng)器體積，以及三個(gè)連續(xù)參數(shù)，即活化時(shí)間、23.1[薄空間 （1/6-em）]：[薄空間 （1/6-em）]23.3 比率和偶聯(lián)溫度）和兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)（sonidegib 的產(chǎn)率和生產(chǎn)率）。 在 15 小時(shí)內(nèi)總共 13 次實(shí)驗(yàn)（8 次初始化和 7 次細(xì)化運(yùn)行）中，該算法確定了同時(shí)具有高產(chǎn)量和產(chǎn)品生產(chǎn)率（93% 產(chǎn)率，7.4 g h ）的最佳條件?1），展示了機(jī)器學(xué)習(xí)、自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)增強(qiáng)手動(dòng)實(shí)驗(yàn)的潛力。

圖23 在自動(dòng)化機(jī)器人平臺(tái)上貝葉斯優(yōu)化算法驅(qū)動(dòng)的Sonigib多步合成的總體方法。

最后，自動(dòng)化和基于流的高通量實(shí)驗(yàn) （HTE） 平臺(tái)的集成可實(shí)現(xiàn)快速和大規(guī)模的數(shù)據(jù)生成，為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)打開(kāi)大門(mén)用于發(fā)現(xiàn)有價(jià)值的反應(yīng)性見(jiàn)解并探索新的合成策略。為開(kāi)放反應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)做出貢獻(xiàn)或遵循公平原則在數(shù)據(jù)共享方面將進(jìn)一步促進(jìn)數(shù)據(jù)科學(xué)在有機(jī)合成中的整合。隨著該領(lǐng)域的不斷發(fā)展，它在閉環(huán)實(shí)驗(yàn)和合成操作完全自主方面具有巨大的潛力。

10. 結(jié)論

合成化學(xué)一直是發(fā)現(xiàn)新藥、材料和精細(xì)化學(xué)品的主要參與者。雖然合成化學(xué)家的主要關(guān)注點(diǎn)一直是開(kāi)發(fā)新的反應(yīng)性概念，但反應(yīng)器一直被社區(qū)系統(tǒng)地忽視。然而，如本綜述所示，流動(dòng)化學(xué)具有諸多優(yōu)勢(shì)，可以在合成有機(jī)化學(xué)中突破界限并釋放出獨(dú)特的反應(yīng)性和選擇性。流動(dòng)反應(yīng)器不僅使新的合成路線成為現(xiàn)實(shí)，而且可以快速跟蹤它們從實(shí)驗(yàn)室到大規(guī)模生產(chǎn)的過(guò)程。而且，隨著流動(dòng)化學(xué)家掌握化學(xué)和工程原理，它們成為實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)和生產(chǎn)工程之間的寶貴紐帶。

通過(guò)這篇綜述展示了流動(dòng)化學(xué)如何與方法學(xué)開(kāi)發(fā)相結(jié)合，我們旨在為那些渴望深入研究的人提供有用的現(xiàn)場(chǎng)指南。隨著人們對(duì)流動(dòng)化學(xué)的興趣持續(xù)增長(zhǎng)，我們期待對(duì)合成有機(jī)化學(xué)進(jìn)行更多的探索和優(yōu)化。我們相信流動(dòng)技術(shù)將成為每個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的必備品，并且與經(jīng)典的圓底燒瓶一樣熟悉。

A field guide to flow chemistry for synthetic organic chemists （2023）

DOI: 10.1039/D3SC00992K