流动化学初学者指南

流动化学初学者指南

对许多人来说，进入流动化学的旅程才刚刚开始。因此，了解这一过程的关键方面极为重要。

• 批量化学与流动化学

• 流动化学解剖

• 反应堆类型

• 混合

• 温度和压力调节

• 结论

• 参考

从传统的批处理过程到流动化学的过渡可能非常艰巨，尤其是当您是初学者时。我们之前的博客解释了为什么流动化学在行业中比间歇反应更有益。在为您的应用程序使用流程之前，需要考虑许多不同的方面。无论您是想生产大量 API（活性药物成分）还是希望测试不同的催化剂，本博客都将是您快速了解流动化学的指南。

批量化学与流动化学

流动过程包括反应物连续通过反应器容器以形成所需的产物（图 1）。相比之下，多步反应需要对初始反应物进行彻底的逐步转化才能获得最终产物。在分离步骤之后，必须进行纯化以去除可能破坏进一步步骤的不需要的材料。流动化学的一个显着好处是它允许研究人员绕过隔离步骤。

图 1. 流动化学与传统多步“批处理”工艺的比较

在流动过程中，泵用于将反应液体流入反应器，这可以使用半连续或连续泵来实现。半连续泵可能需要重新填充注射器；然而，连续泵确实允许溶液无限流动^[1]

流动化学解剖

典型的流量设置包括六个区域（图 2）：试剂输送、混合、反应器、淬火、压力调节和收集。收集最终产品时，通常还包括纯化和进一步分析。

图 2. 带有盘管反应器的基本流动系统中六个主要组件的分解。系统中的其他阶段可以包括最终产品的纯化和分析。

反应堆类型

在开始您的流程之旅之前，首要考虑因素是适合您应用的反应器类型。这些反应器容器分为四个主要组：盘管、填充床、片式反应器和连续搅拌釜反应器^[2]。三者中最常用的是填充床和盘管反应器（图 3）。

图3. 流动化学工艺中使用的常用反应器 i) 盘管 ii) 填充床 iii) 连续搅拌釜反应器 (CSTR) iv) 连续流动反应器芯片

盘管反应器主要用于单相化学，其中试剂的混合依赖于扩散速率。由于片式反应器的成本较高，盘管反应器已成为合成反应的合适替代品。这些反应器往往由 PTFE、PFA 和 FEP 等含氟聚合物制成，但也可以是具有一系列内径的不锈钢^[3]。

填充床反应器最适合非均相反应。这些反应器通常是管状的，并且通常是不锈钢或哈氏合金以促进在压力下工作，并带有过滤器以确保颗粒不会逸出反应器。反应器内部是催化剂，通常是过渡金属，它们被涂在载体材料上。然后用一些惰性填充材料（例如玻璃珠）将支撑材料隔开。固定床反应器对于非均相反应非常有利，因为反应物具有更长的保留时间，因此与催化剂的接触时间长。其次，这些反应器实现了更高的催化剂与试剂的有效摩尔浓度，从而缩短了反应时间。

混合

混合是流动化学的重要组成部分。流动条件允许增强混合和控制反应物停留时间。混合对流动化学中的反应转化有影响。两种主要的混合方法是被动混合和主动混合。主动混合涉及使用搅拌器来混合反应物，这可以在连续搅拌釜反应器 (CSTR) ^[3]中看到。被动混合是我们FlowCAT中混合的主要形式，它利用压力迫使流体以恒定速率通过反应器。

温度和压力调节

温度和压力在流动化学中起着重要作用。与反应物的流速一起，温度和压力是发生所需反应的受控参数。与分批方法相比，使用流动化学，由于表面积更大，热传递增加，从而可以更好地控制温度。

压力控制对于反应速度至关重要。在液体/气体反应中，反应气体必须有效地溶解到液体反应物中。增加压力允许增加气体溶解度，这将增加反应速度。使用背压调节器对流动反应进行加压，通常在流动系统末端发现。除非过程压力超过特定阈值，否则背压调节器会阻止液体和气体从反应器流出。

结论

对许多人来说，进入流动化学的旅程才刚刚开始。因此，了解这一过程的关键方面极为重要。
当利用最好和最合适的技术来满足需求时，流动化学可以为化学工业提供出色的解决方案。

本博客涵盖了其中一些关键点，我们希望它可以成为您开始旅程所需的指南。

参考

1. 
   

1. Britton, J.、Majumdar, S. 和 Weiss, G.，2018 年。连续流动生物催化。化学学会评论，47(15)，pp.5891-5918。

2. Guidi, M.、Seeberger, P. 和 Gilmore, K.，2020。如何处理流动化学。化学学会评论，49(24)，pp.8910-8932。

3. Plutschack, M.、Pieber, B.、Gilmore, K. 和 Seeberger, P.，2017 年。《流动化学漫游指南》。化学评论，117（18），第 11796-11893 页。

4. 流动化学概述。可在：https://www.amt.uk/flow-chemistry（访问日期：2021 年 10 月 21 日）

5.