1、流動(dòng)化學(xué)的發(fā)展

幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，化學(xué)在我們的文明中發(fā)揮著不可或缺的作用，其重要性隨著時(shí)間的推移而增加。 任何化學(xué)分支的核心都是化學(xué)反應(yīng)。 反應(yīng)，無(wú)論是在實(shí)驗(yàn)室還是工業(yè)規(guī)模，傳統(tǒng)上都是在試管、燒瓶、燒杯、罐和反應(yīng)器中進(jìn)行的。 在化學(xué)中，這種方法通常被稱(chēng)為批處理化學(xué)、批處理反應(yīng)或批處理。 然而，在 20 世紀(jì)初，情況開(kāi)始發(fā)生變化。 第一個(gè)現(xiàn)代連續(xù)工藝可能是 Haber-Bosch 工藝，該工藝由固定化鐵催化劑催化的氫和氮工業(yè)生產(chǎn)氨 [Haber & Le Rossignol, 1913]。 由于通過(guò)規(guī)模經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)成本大幅降低，石化行業(yè)也開(kāi)始廣泛采用連續(xù)工藝。

然而，在連續(xù)方法（在實(shí)驗(yàn)室中通常稱(chēng)為流動(dòng)化學(xué)）成為研究實(shí)驗(yàn)室和其他行業(yè)的重要工具之前。首先在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模采用流動(dòng)化學(xué)的是分析實(shí)驗(yàn)室，其次是有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)室，后來(lái)是制藥行業(yè)。 事實(shí)上，連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器已在近十年前被報(bào)道為制藥公司用于藥物發(fā)現(xiàn)的工具，而流動(dòng)化學(xué)已被證明是制藥行業(yè)藥物發(fā)現(xiàn)的寶貴工具 [Trojanowicz, 2020]。 流動(dòng)化學(xué)幫助制藥公司 (i) 增加合成化合物的數(shù)量，(ii) 更快地評(píng)估生物活性，以及 (iii) 以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn) [Baraldi & Hessel, 2012]。

在醫(yī)療保健領(lǐng)域，連續(xù)流動(dòng)制造不僅有可能降低醫(yī)療保健成本，而且還有助于在世界上醫(yī)療保健服務(wù)有限的地區(qū)獲得挽救生命的療法。 因此，流動(dòng)化學(xué)被認(rèn)為對(duì)醫(yī)療保健的未來(lái)至關(guān)重要 [Extance, 2017]。 例如，諾華公司以 6500 萬(wàn)美元資助了麻省理工學(xué)院 (MIT) 的一項(xiàng)研究計(jì)劃，該計(jì)劃旨在開(kāi)發(fā)基于流動(dòng)合成的藥物生產(chǎn)新方法 [Richards，2007 年]。 流動(dòng)化學(xué)可應(yīng)用于藥物、疫苗 和以及檢測(cè)試劑盒的開(kāi)發(fā)和合成，包括最近的 2019冠狀病毒病大流行。

In addition to pharmaceutical applications [Gerardy et al., 2018] &

除了制藥應(yīng)用 [Gerardy et al., 2018] 和 [Baumann et al., 2020]，流動(dòng)化學(xué)正在擴(kuò)展到有機(jī)金屬化學(xué) [Timothy, 2016]、精細(xì)化學(xué)品、聚合物 [Leibfarth et al., 2015]、肽 [Simon et al., 2014] 和納米材料合成 [Sebastian & Jensen, 2016] 和 [Marre & Jensen, 2010]，包括金屬和半導(dǎo)體納米粒子的連續(xù)生長(zhǎng) [Jensen, 2017]。 在綠色化學(xué)領(lǐng)域，流動(dòng)化學(xué)有望更快地開(kāi)發(fā)和應(yīng)用更環(huán)保的催化劑和合成方法 [Rogers & Jensen, 2019]。 在流動(dòng)中進(jìn)行反應(yīng)可以顯著減少實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)規(guī)模的環(huán)境影響。

近幾十年來(lái)，流動(dòng)化學(xué)已經(jīng)從基本的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)發(fā)展到復(fù)雜的多步驟過(guò)程。 今天，越來(lái)越多的行業(yè)采用流動(dòng)化學(xué)，如圖 1 中的市場(chǎng)概覽所示。

圖 1. 2020 年按照應(yīng)用全球流動(dòng)化學(xué)市場(chǎng)份額（%）。 [來(lái)源：轉(zhuǎn)載自 Grand View Research，2022 年]。

流動(dòng)化學(xué)被視為一種顛覆性創(chuàng)新 [Bruno, 2014]，它擴(kuò)展了化學(xué)的視野并開(kāi)辟了新的市場(chǎng)可能性。 流動(dòng)化學(xué)將化學(xué)家和化學(xué)工程師聚集在一起，并正在創(chuàng)造具有廣泛應(yīng)用的新研究領(lǐng)域。 在過(guò)去的十年里，流動(dòng)化學(xué)已成為現(xiàn)代化學(xué)的一個(gè)重要領(lǐng)域。 這反映在報(bào)告的涉及流動(dòng)化學(xué)應(yīng)用的科學(xué)出版物和專(zhuān)利數(shù)量上，并且逐年穩(wěn)步增長(zhǎng)。 圖 2 對(duì)此進(jìn)行了說(shuō)明，該圖顯示了主題“連續(xù)流動(dòng)化學(xué)”的 SciFinder? 搜索結(jié)果。

圖 2. 連續(xù)流動(dòng)化學(xué)的被引出版物數(shù)量。 [來(lái)源：轉(zhuǎn)載自 Baumann 等人，2020 年。]

流動(dòng)化學(xué)應(yīng)用和研究的巨大擴(kuò)展反映在市場(chǎng)價(jià)值上，估計(jì)約為 10 億美元，預(yù)計(jì)到 2028 年將達(dá)到 32 億美元 [GlobeNewswire, 2021]。 市場(chǎng)價(jià)值的增長(zhǎng)是由合成、級(jí)聯(lián)催化和下一代工程的未來(lái)潛在應(yīng)用推動(dòng)的，其中包括新型單元操作、原位表征、固體處理、自動(dòng)化和機(jī)器智能 [Hartman，2020]。 圖 3 描述了使用流動(dòng)化學(xué)系統(tǒng)和機(jī)器人在合成過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的概念。

圖 3. 應(yīng)用流動(dòng)化學(xué)與自動(dòng)化技術(shù)和人工智能相結(jié)合的未來(lái)概念圖示，通過(guò)使用最先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)和可重構(gòu)的反應(yīng)平臺(tái)來(lái)徹底改變有機(jī)合成。 [資料來(lái)源：Coley，2019，? AAAS]

2、流動(dòng)化學(xué)潛在好處

在連續(xù)流動(dòng)中進(jìn)行反應(yīng)僅僅意味著反應(yīng)在管道、管子、毛細(xì)管或微毛細(xì)管中進(jìn)行，而不是在傳統(tǒng)的分批攪拌容器中進(jìn)行。 連續(xù)流動(dòng)化學(xué)描述了在狹窄通道內(nèi)以連續(xù)方式進(jìn)行反應(yīng)的性能，利用其固有特性嚴(yán)格控制反應(yīng)條件。

流動(dòng)化學(xué)的引入是向前邁出的重要一步，因?yàn)榕c更傳統(tǒng)的批處理方法相比，它提供了幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。某些特定化學(xué)品和反應(yīng)的危險(xiǎn)性可能會(huì)限制或排除它們的使用，尤其是大規(guī)模使用。但是，如果可以安全使用這些化學(xué)品，通?？梢蕴峁└玫男?。尋找替代方案通常很昂貴，并且需要很長(zhǎng)的反應(yīng)序列。其中一些問(wèn)題與高度放熱、極快的反應(yīng)有關(guān)，并且具有積聚熱量和形成熱點(diǎn)的趨勢(shì)。這些反應(yīng)通常涉及難以處理且具有潛在毒性或爆炸性的不穩(wěn)定物質(zhì)。這帶來(lái)了特定的安全問(wèn)題，并可能導(dǎo)致反應(yīng)失控、不希望的副產(chǎn)物或?qū)Ψ磻?yīng)裝置的意外爆炸損壞。此類(lèi)過(guò)程的示例包括硝化、鹵化和基于有機(jī)金屬的反應(yīng)，它們廣泛用于制藥行業(yè)、dynamite生產(chǎn)和精細(xì)化學(xué)品生產(chǎn)等幾個(gè)重要行業(yè)。

連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器與間歇反應(yīng)器相比具有幾個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并為上述問(wèn)題提供了解決方案。反應(yīng)器的特點(diǎn)是狹窄且定義明確的通道，內(nèi)部尺寸在微米到毫米范圍內(nèi)，內(nèi)部體積從幾微升到毫升不等。連續(xù)流動(dòng)化學(xué)的真正力量在于管理化學(xué)品通過(guò)這些狹窄通道的流動(dòng)，利用它們的內(nèi)在特性在嚴(yán)格控制的條件下處理化學(xué)品，并在沒(méi)有干預(yù)的情況下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行。流動(dòng)化學(xué)反應(yīng)器的狹窄通道影響化學(xué)品流的流體動(dòng)力學(xué)、傳熱和傳質(zhì)。這導(dǎo)致即使在不混溶相的情況下也能有效混合、高效的熱量和壓力管理、對(duì)停留時(shí)間和局部化學(xué)計(jì)量的精確控制、固有的安全性、潛在的無(wú)縫可擴(kuò)展性和按需生產(chǎn)。早在 2000 年，文獻(xiàn)就報(bào)道了化學(xué)微反應(yīng)器的進(jìn)展，包括對(duì)微通道混合和熱交換等元素操作的描述及其在氣相、液相和氣液精細(xì)化工中的首次應(yīng)用合成。

盡管流動(dòng)化學(xué)有希望，但有必要注意流動(dòng)化學(xué)不是一個(gè)通用的解決方案，也不是對(duì)化學(xué)中的每個(gè)問(wèn)題都有利。 由于幾個(gè)原因，間歇反應(yīng)器在不久的將來(lái)仍將是首選。 它們更強(qiáng)大、更通用且更具成本效益。 批次是可追溯的，它們與氣體、液體和固體兼容，幾乎可以在每個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中找到它們。 事實(shí)上，流動(dòng)化學(xué)科學(xué)家需要解決的最大問(wèn)題之一是反應(yīng)器與固體的相容性。 其他挑戰(zhàn)包括專(zhuān)業(yè)知識(shí)的稀缺、高昂的啟動(dòng)成本和產(chǎn)品的可追溯性。