化學(xué)品生產(chǎn)可能充滿危險(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)考慮如何使過程本質(zhì)上更安全。國外研究人員使用自動流動反應(yīng)器來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 3 萬億美元，其大部分價(jià)值來自化合物的生產(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、高壓或使用非常苛刻的試劑（如濃酸）的形式強(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。通過反應(yīng)器不斷混合使反應(yīng)發(fā)生。

工業(yè)合成可以通過多種方式進(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，然后開始新的批次——就像酒精生產(chǎn)的釀造過程一樣。另一個(gè)是流動化學(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，特別是對于特殊類型的反應(yīng)，例如需要由光觸發(fā)的反應(yīng)（稱為光化學(xué)反應(yīng)）。然而，流動反應(yīng)器和光化學(xué)都沒有被制藥行業(yè)廣泛采用，因?yàn)閷ふ曳椒▉頂U(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)問題，奧地利研究中心制藥工程 (RCPE) 的研究人員與國外反應(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足世界對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，它不會產(chǎn)生需要事后處理的廢物。它處理起來是安全的，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)動化學(xué)可能與加熱時(shí)發(fā)生的情況大不相同，從而開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)對應(yīng)物氯那樣有毒，但它仍然對人體健康非常有害，并且在相當(dāng)小的劑量下會致命。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)輸和儲存。該團(tuán)隊(duì)沒有向流動反應(yīng)器中添加有毒溴以進(jìn)行此類反應(yīng)，而是開發(fā)了一種系統(tǒng)來原位生成所需的溴。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)開始使用流動反應(yīng)器進(jìn)行小規(guī)模的初步測試，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。