论文部分内容阅读
摘 要：有机化学的快速发展极大地促进了新化学产品的开发与研制，而为了更好的进行科学研发，闪速合成目标化合物成为有机化学领域研究的热点问题。化学反应速度的加快必然会提高对反应过程控制的要求，具有良好传热、传质、可控性的微反应器成为解决这一问题的重要技术途径。文章基于对有机化学合成发展的回顾，介绍了闪速合成目标化合物的原理及特点，论述了其在有机化学合成研发中的应用。
關键词：有机合成 闪速化学 微反应器
有机合成是人类改造、创造世界的有力工具，是有机化学不可分割的重要内容，其发展水平直接关系到有机化学研究的发展。近年来，随着我国社会经济的快速发展和科学技术的不断进步，在有机合成化学领域也取得了许多令人瞩目的成绩，例如生物活性天然产物合成、金属参与有机合成等方面有很多突破性的成果，并逐渐从物理有机化学向化学生物学、计算化学、绿色化学等领域发展，科研与生产能力得到了大幅度的提升。本文对闪速化学的原理与应用进行研究，旨在发挥新理念、新技术的优势，更好的促进我国有机合成化学的发展。
一、有机合成化学发展回顾
据统计，目前已知的有机化学反应数量达到3000多个，被广泛应用的有200多个，并且不断有新的有机合成被研发出来投入应用，这些有机化学反应直接催生出2000多万种有机化合物。在有机合成化学领域研究中，合成路线、合成策略、合成方法需要兼顾原子经济性、高效性、环境友好等原则，通过科学合理的合成设计与巧妙的方法确保有机合成的综合效益。
在1902年至2005年前，诺贝尔化学奖有25项给予了对有机合成领域有突出贡献的科学家，可见有机合成的重要地位及其发展速度之快。最近几十年来有机合成领域发展速度进一步加快，传统有机合成已向绿色合成转变，并渗透到生命科学等学科中产生了巨大的推动作用，组合化学、正向合成分析等理论与技术为精细化学品的研发提供助力，超声波、微波等技术的应用日益广泛，微生物、人工酶的利用工艺日益精湛，很好的体现了有机合成的创造性魅力，为人类的生产生活提供方方面面的支持和帮助。
二、闪速合成目标化合物的原理及特点
在有机合成过程中，我们通常要考虑如何在不降低产物收率的情况下更大幅度的减小反应时间，而一般情况下二者相互矛盾难以统一，降低反应时间往往导致反应过程无法有效控制，最终导致产物收率降低，甚至生成许多副产物。为了有效解决这一问题，Yoshida提出了闪速化学的方法，并在聚合物快速合成中实验成功。其实早在上个世纪该理念便已体现在有机合成中，例如我们所熟知的闪速真空热解技术即是利用载气将前驱物带入裂解室快速获得产物，但因无法控制反应过程仅停留在理论层面。
新世纪以来微反应器技术的应用使闪速化学的实现成为了可能，微反应器的结构特点决定了其具有高效的热转换能力，可以对反应温度进行有效控制，能够快速、精确混合反应物料，并且精确控制滞留时间、快速实现物质分离转移，避免不必要的副产物生成。借助微反应器的诸多功能优势，闪速化学得以真正在有机合成中得到应用，对提高合成产物的产量和效率做出了重大的贡献。
闪速化学反应包括五种类型，主要针对有活性物质参与，或是易生成副产物、产物不稳定、放热剧烈以及需要高活性激发源的有机合成反应。闪速化学反应的特点主要是反应时间短，需要对反应物分子通过热激发、微波辐射等方式进行活化，并且往往产生敏感的高活性物质。
三、闪速合成目标化合物的应用
闪速化学的应用领域十分广泛，可以在氧化、酰化、取代、缩合等反应过程中应用，借助微反应器可以完成许多常规容器中无法实现的反应。下文中将进行列举分析。
1.中间体易分解反应中的应用
在常规容器中中间体易分解的反应，可以利用微反应器的滞留时间控制能力，在中间体分解前转移到后续反应，使化学合成得以顺利实现。例如以醇制备羰基化合物时需要进行低温 Swern-Moffatt 氧化，反应过程需要在零下50℃条件下进行以抑制副产物生成，而利用微反应器，在20℃条件下将滞留时间控制在0.01s产物收率高达90%，与使用常规容器相比不仅对反应条件限制更小，而且产物收率更高。又如羟醛缩合反应中生成的烯醇盐活性高不易积累，而借助微反应器控制滞留时间将其快速转移，仅用15s即可生成高产率的合成产物。另外如溴锂置换反应等均可通过控制中间体滞留时间来实现闪速置换。
2.易生成副产物反应中的应用
为了提高合成反应速度通常需搅拌反应体系，导致难以研究动力学过程和产品选择性，需要依靠降温等方式来减慢反应速率。而凭借微反应器可以在自然速率下控制反应，获得动力学信息，得到选择性产物。例如通过微反应器控制格式反应能够抑制多取代产物的生成，其他如微反应器中的芳香化合物碘化反应也可提高产物选择性。
3.产物易分解反应中的应用
许多有机合成反应产物稳定性差，滞留时间长会分解从而降低收率，凭借微反应器中的闪速合成可以精确控制滞留时间，避免产物分解。例如β-羟基酮的酸催化脱水反应在微反应器中用氢氧化钠溶液冷浸停止，能够有效降低产物滞留时间，避免酸催化产生的环化产物等副产物，获得接近100%纯度的产物。
4.高放热反应中的应用
对于高放热反应常规方法是控制反应速率，然而局部过热现象难以避免，利用微反应器可以及时导出热量，对反应温度进行有效控制，从而提高产物收率和反应速率。有文献研究证实，凭借微反应器对氟化反应的放热量和反应温度进行控制具有显著效果，类似的研究还有硝化反应、卤素与金属置换反应等等。
四、结语
有机合成是化学研究领域的重要内容，推动有机合成化学的发展对于经济发展与科技进步具有积极意义。闪速化学借助微反应器的功能优势，能够更高速、高效的完成许多常规容器内无法实现的合成反应，对于有机合成化学的发展有着重要的促进作用。但是关于闪速化学的研究与应用尚不成熟，未来需要进一步深入研究，将其推向工业生产，以满足现代生产生活对分子快速合成的需求。
参考文献
[1]（美）卡雷，（美）松德贝里.高等有机化学：反应与合成[M]. 科学出版社，2009.1.
[2]J Yoshida，A Nagaki，T Yamad. Chem. Eur. J. ，2008，14（25）.
[3]王园园.微波促进有机合成化学的应用进展[J].天津化工，2008（05）.
關键词：有机合成 闪速化学 微反应器
有机合成是人类改造、创造世界的有力工具，是有机化学不可分割的重要内容，其发展水平直接关系到有机化学研究的发展。近年来，随着我国社会经济的快速发展和科学技术的不断进步，在有机合成化学领域也取得了许多令人瞩目的成绩，例如生物活性天然产物合成、金属参与有机合成等方面有很多突破性的成果，并逐渐从物理有机化学向化学生物学、计算化学、绿色化学等领域发展，科研与生产能力得到了大幅度的提升。本文对闪速化学的原理与应用进行研究，旨在发挥新理念、新技术的优势，更好的促进我国有机合成化学的发展。
一、有机合成化学发展回顾
据统计，目前已知的有机化学反应数量达到3000多个，被广泛应用的有200多个，并且不断有新的有机合成被研发出来投入应用，这些有机化学反应直接催生出2000多万种有机化合物。在有机合成化学领域研究中，合成路线、合成策略、合成方法需要兼顾原子经济性、高效性、环境友好等原则，通过科学合理的合成设计与巧妙的方法确保有机合成的综合效益。
在1902年至2005年前，诺贝尔化学奖有25项给予了对有机合成领域有突出贡献的科学家，可见有机合成的重要地位及其发展速度之快。最近几十年来有机合成领域发展速度进一步加快，传统有机合成已向绿色合成转变，并渗透到生命科学等学科中产生了巨大的推动作用，组合化学、正向合成分析等理论与技术为精细化学品的研发提供助力，超声波、微波等技术的应用日益广泛，微生物、人工酶的利用工艺日益精湛，很好的体现了有机合成的创造性魅力，为人类的生产生活提供方方面面的支持和帮助。
二、闪速合成目标化合物的原理及特点
在有机合成过程中，我们通常要考虑如何在不降低产物收率的情况下更大幅度的减小反应时间，而一般情况下二者相互矛盾难以统一，降低反应时间往往导致反应过程无法有效控制，最终导致产物收率降低，甚至生成许多副产物。为了有效解决这一问题，Yoshida提出了闪速化学的方法，并在聚合物快速合成中实验成功。其实早在上个世纪该理念便已体现在有机合成中，例如我们所熟知的闪速真空热解技术即是利用载气将前驱物带入裂解室快速获得产物，但因无法控制反应过程仅停留在理论层面。
新世纪以来微反应器技术的应用使闪速化学的实现成为了可能，微反应器的结构特点决定了其具有高效的热转换能力，可以对反应温度进行有效控制，能够快速、精确混合反应物料，并且精确控制滞留时间、快速实现物质分离转移，避免不必要的副产物生成。借助微反应器的诸多功能优势，闪速化学得以真正在有机合成中得到应用，对提高合成产物的产量和效率做出了重大的贡献。
闪速化学反应包括五种类型，主要针对有活性物质参与，或是易生成副产物、产物不稳定、放热剧烈以及需要高活性激发源的有机合成反应。闪速化学反应的特点主要是反应时间短，需要对反应物分子通过热激发、微波辐射等方式进行活化，并且往往产生敏感的高活性物质。
三、闪速合成目标化合物的应用
闪速化学的应用领域十分广泛，可以在氧化、酰化、取代、缩合等反应过程中应用，借助微反应器可以完成许多常规容器中无法实现的反应。下文中将进行列举分析。
1.中间体易分解反应中的应用
在常规容器中中间体易分解的反应，可以利用微反应器的滞留时间控制能力，在中间体分解前转移到后续反应，使化学合成得以顺利实现。例如以醇制备羰基化合物时需要进行低温 Swern-Moffatt 氧化，反应过程需要在零下50℃条件下进行以抑制副产物生成，而利用微反应器，在20℃条件下将滞留时间控制在0.01s产物收率高达90%，与使用常规容器相比不仅对反应条件限制更小，而且产物收率更高。又如羟醛缩合反应中生成的烯醇盐活性高不易积累，而借助微反应器控制滞留时间将其快速转移，仅用15s即可生成高产率的合成产物。另外如溴锂置换反应等均可通过控制中间体滞留时间来实现闪速置换。
2.易生成副产物反应中的应用
为了提高合成反应速度通常需搅拌反应体系，导致难以研究动力学过程和产品选择性，需要依靠降温等方式来减慢反应速率。而凭借微反应器可以在自然速率下控制反应，获得动力学信息，得到选择性产物。例如通过微反应器控制格式反应能够抑制多取代产物的生成，其他如微反应器中的芳香化合物碘化反应也可提高产物选择性。
3.产物易分解反应中的应用
许多有机合成反应产物稳定性差，滞留时间长会分解从而降低收率，凭借微反应器中的闪速合成可以精确控制滞留时间，避免产物分解。例如β-羟基酮的酸催化脱水反应在微反应器中用氢氧化钠溶液冷浸停止，能够有效降低产物滞留时间，避免酸催化产生的环化产物等副产物，获得接近100%纯度的产物。
4.高放热反应中的应用
对于高放热反应常规方法是控制反应速率，然而局部过热现象难以避免，利用微反应器可以及时导出热量，对反应温度进行有效控制，从而提高产物收率和反应速率。有文献研究证实，凭借微反应器对氟化反应的放热量和反应温度进行控制具有显著效果，类似的研究还有硝化反应、卤素与金属置换反应等等。
四、结语
有机合成是化学研究领域的重要内容，推动有机合成化学的发展对于经济发展与科技进步具有积极意义。闪速化学借助微反应器的功能优势，能够更高速、高效的完成许多常规容器内无法实现的合成反应，对于有机合成化学的发展有着重要的促进作用。但是关于闪速化学的研究与应用尚不成熟，未来需要进一步深入研究，将其推向工业生产，以满足现代生产生活对分子快速合成的需求。
参考文献
[1]（美）卡雷，（美）松德贝里.高等有机化学：反应与合成[M]. 科学出版社，2009.1.
[2]J Yoshida，A Nagaki，T Yamad. Chem. Eur. J. ，2008，14（25）.
[3]王园园.微波促进有机合成化学的应用进展[J].天津化工，2008（05）.