连续流电合成技术：为精细化学品与药物合成提供绿色、精准的新平台

一、引言

      在精细化学品与药物合成领域，传统合成工艺长期面临着诸多瓶颈。一方面，反应步骤繁琐复杂，往往需要经过多步反应才能获取目标产物，这不仅导致生产流程冗长，增加了时间成本与操作难度，还使得原料消耗大幅上升，生产成本居高不下。例如在一些复杂药物分子的合成中，可能需要历经十几步甚至几十步反应，每一步反应都伴随着原料的损耗与副产物的生成。另一方面，传统工艺的选择性欠佳，在反应过程中极易产生大量副产物，这些副产物不仅降低了目标产物的收率，还极大地增加了产物分离和提纯的难度。在精细化学品合成中，如某些具有特定官能团的化合物制备，副反应可能导致产物纯度难以达到要求，需要反复进行分离纯化操作，耗费大量的人力、物力和时间。此外，许多传统合成工艺依赖高温、高压等苛刻条件，这不仅导致能耗高，不符合当前绿色化学和可持续发展的理念，还增加了生产过程中的安全风险，一旦操作不当，可能引发严重的安全事故。

      随着社会对环境保护和可持续发展的关注度日益提高，绿色化学合成技术已成为全球研究的热点。连续流电合成技术作为一种具潜力的新兴绿色合成技术，正逐渐崭露头角，为精细化学品与药物合成带来了全新的解决方案，有望改变传统合成模式，推动行业向绿色、高效、精准的方向迈进。

二、连续流电合成技术的原理与系统构成

（1）技术原理

      连续流电合成技术主要基于电化学反应原理，在电场的驱动下，反应物在电极表面发生氧化还原反应。其核心机制在于，电源为反应提供所需电能，促使电子在电极之间转移。在反应器中，阳极发生氧化反应，反应物分子在阳极表面失去电子，被氧化为目标产物或中间产物；阴极则发生还原反应，例如常见的质子还原生成氢气等过程。与传统间歇式电化学反应不同，连续流模式下，反应物能够持续不断地流入反应器，与电极表面充分接触，与此同时，产物也能及时离开反应区域，避免了反应物和产物在反应器内的过度积累，有效减少了副反应的发生，极大地提高了反应的选择性和效率。

      以有机化合物的电氧化反应为例，在连续流电合成体系中，有机反应物通过连续流动的方式进入反应器，在阳极表面，有机分子吸附在电极上，通过与电极进行电子交换，逐步发生氧化反应，生成目标产物。由于反应物的持续供应和产物的及时移除，反应能够保持高效、稳定地进行，避免了传统间歇式反应中因反应物浓度变化和产物积累导致的反应速率下降和副反应增加的问题。

（2）系统构成

      连续流电合成系统是一个复杂且精密的体系，由多个关键组件协同工作，以实现高效的电催化反应。其主要组成部分包括电源、反应器、电极以及电解液等核心部件，同时还配备了一系列用于控制和监测反应过程的辅助设备。

      电源作为反应的能量供应单元，为整个反应体系提供稳定且可调节的电能，确保电子能够在电极之间顺利转移，驱动氧化还原反应的进行。反应器则是反应发生的核心场所，通常设计为连续流模式，反应物以精确控制的流速持续流入反应器内，在其中与电极和电解液充分接触，发生电化学反应。电极分为阳极和阴极，它们是电化学反应的关键位点，阳极负责氧化反应，阴极负责还原反应，其材质和结构的选择对反应的活性、选择性和稳定性具有至关重要的影响。例如，在一些对选择性要求高的药物合成反应中，需要选择具有特殊表面结构和催化活性的电极材料，以促进目标反应的进行，抑制副反应的发生。电解液在系统中起到传导离子的作用，维持反应体系的电荷平衡，同时，其组成和性质也会对反应速率、选择性和产物分布产生显著影响。

      此外，为了确保反应能够在最佳条件下稳定运行，系统还配备了先进的辅助设备。流量控制系统能够精确调节反应物和电解液的流速，保证反应在设定的条件下持续、稳定地进行，避免因流速波动导致反应条件的变化。温度控制系统可对反应器内的温度进行精准调控，因为温度对电催化反应速率和选择性具有重要影响，通过精确控制温度，能够优化反应动力学，提高反应效率。压力控制系统则在一些需要特定压力条件的反应中发挥关键作用，维持反应体系的压力稳定，确保反应在适宜的压力环境下进行。同时，系统中还安装有各类检测传感器，如电流传感器、电压传感器、pH 值传感器等，用于实时监测反应过程中的电流、电压、pH 值等关键参数，这些参数能够实时反馈反应的进行情况，操作人员或自动化控制系统可以根据这些参数及时调整反应条件，保证反应的顺利进行。

三、连续流电合成技术的优势

（1）绿色环保

      连续流电合成技术以电子作为清洁的反应试剂，这一特性从根本上避免了传统化学合成中大量化学氧化剂或还原剂的使用。在传统的精细化学品和药物合成中，常常需要使用大量的化学试剂来实现氧化还原反应，这些试剂在反应后往往会产生大量的废弃物，对环境造成严重污染。而连续流电合成技术仅需通过电场作用，利用电子的转移来驱动反应，大大减少了化学试剂的消耗，从而显著降低了废弃物的产生量。

      例如，在一些传统的氧化反应中，常使用高锰酸钾、重铬酸钾等强氧化剂，这些氧化剂在反应后会产生大量的金属离子废弃物，难以处理且对环境危害极大。而采用连续流电合成技术进行相同的氧化反应时，只需通过合理设置电极电位，即可实现反应物的氧化，避免了这些有害氧化剂的使用，从源头上减少了污染物的产生，符合绿色化学和可持续发展的理念，为精细化学品与药物合成行业的绿色转型提供了有力支撑。

（2）反应条件精准控制

      连续流电合成系统借助先进的自动化控制技术，能够对反应过程中的多个关键参数进行精确调节，且可根据反应的实时进展进行动态调整。通过精确控制电流、电压、流速、温度、压力等参数，反应能够始终维持在最适宜的条件下进行，这不仅显著提高了反应的选择性，能够有效抑制副反应的发生，确保目标产物的高收率，还为合成具有特定结构和性能的精细化学品与药物分子提供了可能。

      在药物合成中，许多反应对立体选择性和区域选择性要求高，例如在一些手性药物的合成过程中，微小的反应条件变化可能导致产物的手性构型发生改变，从而影响药物的疗效和安全性。连续流电合成技术能够通过精准控制反应参数，实现对手性药物合成过程中反应路径的精确引导，保证产物的高光学纯度和化学纯度，满足药物研发和生产的严格要求。

（3）高效传质传热

      连续流反应器独特的结构设计使得反应物和电解液在狭小的通道内高速流动，这种流动方式极大地增加了物质之间的接触面积和碰撞频率，从而实现了高效的传质过程。反应物能够迅速地与电极表面接触并发生反应，同时反应产物也能快速地从电极表面脱离，被带出反应区域，有效避免了反应物和产物在电极表面的积累，提高了反应速率。

      同时，由于反应物在通道内停留时间短，热量能够迅速传递出去，有效避免了局部过热或过冷现象，实现了高效的传热过程。这有助于维持反应体系的温度均匀性，确保反应在稳定的温度条件下进行，提高了反应的稳定性和一致性。在一些对反应温度敏感的精细化学品合成反应中，连续流电合成技术能够通过高效的传热特性，精确控制反应温度，避免因温度波动导致的副反应发生，提高产物的质量和收率。

（4）连续化生产

      连续流电合成技术采用反应物连续不断地流入反应器，产物连续输出的生产模式，与传统间歇式反应需要频繁进行加料、反应、卸料等操作相比，具有显著的优势。这种连续化生产模式极大地提高了生产效率，减少了生产过程中的非生产时间，适合大规模工业化生产。

      连续化生产还使得生产过程更加稳定，产品质量更易于控制和保证。在大规模的精细化学品生产中，连续流电合成技术能够实现生产过程的自动化和连续化，减少了人为因素对生产过程的干扰，保证了每一批次产品质量的一致性和稳定性，提高了企业的生产效益和市场竞争力。

四、在精细化学品合成中的应用实例

1. 生物质转化

1.5 - 羟甲基糠醛（HMF）转化为 2,5 - 呋喃二甲酸（FDCA）

生物质作为一种丰富的可再生资源，将其转化为高附加值的精细化学品具有重要的战略意义。5 - 羟甲基糠醛（HMF）作为一种关键的生物质平台分子，可通过连续流电合成系统高效转化为 2,5 - 呋喃二甲酸（FDCA）。在传统的间歇式反应中，HMF 转化为 FDCA 的过程面临诸多挑战，如反应需要在高温、高压下进行，不仅能耗高，而且产品质量不稳定，易发生聚合等副反应，导致目标产物收率较低。

大连理工大学陶胜洋教授团队通过构建异质结电催化剂、富氧缺陷电催化剂，并结合数字设计加工的连续流动电化学反应器进行该转化反应，取得了显著成果。在该连续流体系中，反应器加快了本体溶液到电极表面的传质速率，增大了电极表面积的利用效率，有效削弱了反应中的扩散效应，减小了体系浓差极化。例如，所构建的 CoOOH 纳米片中的（100）晶面与 CoP 中的（211）晶面相互生长构成的异质结催化剂 CoP - CoOOH，表现出较小的 HMF 氧化起始电压和析氢反应电压。这得益于在异质界面处空穴在 CoOOH 一侧积累有利于氧化反应的发生，而电子在 CoP 一侧积累有利于还原反应的进行。实验结果表明，在连续流反应器中 HMF 转化率、产物选择性和法拉第效率分别可达到 99.9%、99.4% 和 98.2%。此外，经过 10 次连续循环氧化 HMF 后，组装的连续流反应器仍然表现出较好的氧化活性，证实了该反应器具有良好的催化反应稳定性。这一成果为生物质资源的高效利用和高附加值精细化学品的绿色合成提供了新的技术路径。

2.葡萄糖转化为二甲酸钾和甲酸盐

含有醛基的生物质平台分子如葡萄糖在碱性环境中化学性质不稳定，在高浓度下极易发生非法拉第反应，这严重限制了电催化生物质转化工艺的放大。清华段昊泓团队设计了一种单程连续流反应（SPCFR）系统来解决这一问题。该系统具有电极面积 / 电解液体积比（A/V）高、反应底物在反应器中停留时间短、反应底物和碱性电解质独立进料等特点。

在碱性条件下葡萄糖的电氧化反应中，使用单模块的 SPCFR 系统进行测试，在绝对电流为 3 A 的条件下，获得了高单程转化率（SPCE，80.2%）、高甲酸盐选择性（83.8%）。该系统有效地克服了葡萄糖在碱性环境中电催化转化的难题，为葡萄糖等生物质平台分子的大规模、高效转化提供了可行的解决方案，有助于推动生物质基精细化学品的工业化生产进程。

（2）构建 C - C、C - N、C - O 键

在精细化学品合成中，C - C、C - N、C - O 键的构建是形成各类复杂分子结构的基础，连续流电合成技术在这些关键化学键的构建方面展现出了独特的优势。

通过精确控制电极电位、反应时间和反应物浓度等参数，连续流电合成能够实现对 C - C 键形成反应的精准调控，避免了传统方法中可能出现的过度反应和副反应，提高了目标产物的选择性和收率。在合成具有特定碳链结构的精细化学品时，连续流电合成技术能够通过合理设计反应路径，在温和的条件下高效地构建 C - C 键，为复杂有机分子的合成提供了一种简便、绿色的方法。

对于 C - N 键的构建，连续流电合成技术同样表现出色。在一些含氮精细化学品的制备过程中，传统方法往往需要使用有毒有害的试剂或在苛刻的反应条件下进行，而连续流电合成技术可以利用电极表面的电催化作用，使含氮反应物与其他有机分子在较为温和的条件下发生反应，形成 C - N 键。这种方法不仅减少了有毒试剂的使用，降低了生产成本，还提高了反应的安全性和环境友好性。

在 C - O 键构建方面，连续流电合成技术能够通过调节反应体系的酸碱度、电流密度等参数，实现对醇、酚等含氧化合物与其他有机分子之间反应的精确控制，高效地构建 C - O 键，为合成具有特定功能的精细化学品，如酯类、醚类化合物等提供了有效的手段。

五、在药物合成中的应用实例

（1）药物中间体合成

药物中间体是药物合成过程中的关键原料，其质量和合成效率直接影响到最终药物的质量和生产成本。连续流电合成技术在药物中间体合成领域具有广阔的应用前景，能够为药物研发和生产提供高效、绿色的解决方案。

在一些常见药物中间体的合成中，如合成抗高血压药物氯沙坦的关键中间体 2 - 丁基 - 4 - 氯 - 5 - 甲酰基咪唑，传统合成方法步骤繁琐，需要使用大量的化学试剂，且反应条件苛刻，产率较低。采用连续流电合成技术，通过合理设计反应路径和选择合适的电极材料，能够在相对温和的条件下，以较高的收率和选择性合成该中间体。在连续流反应器中，反应物能够连续、稳定地进行反应，避免了传统间歇式反应中因批次差异导致的产品质量波动，提高了药物中间体的质量稳定性，为后续药物合成提供了可靠的原料保障。

（2）不对称有机合成

许多药物分子具有手性结构，手性药物的对映体往往具有不同的药理活性，因此在药物合成中实现高效、高选择性的不对称合成至关重要。连续流电合成技术为不对称有机合成提供了新的有力工具。

厦门大学化学化工学院徐海超课题组利用连续流电化学微反应器实现了多种氧化不对称催化反应，包括 1,3 - 二羰基化合物的巯基化、β - 酮酰胺与烯烃的不对称环化、镍催化羰基化合物的不对称烷基化以及叔胺和羰基化合物的催化不对称氧化偶联等。该方法避免了使用化学氧化剂，提高了反应效率，通过将多个反应器并行即可实现不同规模反应的直接放大，无需重新优化反应条件。

六、面临的挑战与未来展望

（1）面临的挑战

尽管连续流电合成技术在精细化学品与药物合成领域展现出了巨大的潜力，但目前该技术在实际应用中仍面临一些挑战，需要进一步研究和解决。

在电极材料方面，现有的电极材料在长期使用过程中，可能会因电化学反应的腐蚀、积垢等问题导致电极活性下降、寿命缩短，影响反应的稳定性和持续进行。开发具有高稳定性、高催化活性和长使用寿命的新型电极材料，是当前连续流电合成技术发展的关键任务之一。

反应器的放大设计也是一个重要挑战。从实验室规模的小型反应器向工业化大规模反应器的放大过程中，如何确保反应器的传质传热效率、反应均匀性以及电极性能等在放大后依然能够保持稳定，是需要深入研究的问题。目前，反应器放大过程中存在的性能下降、反应参数难以精确控制等问题，限制了连续流电合成技术的大规模工业化应用。

连续流电合成技术与现有工业体系的兼容性也是需要考虑的因素。许多传统化工企业已经建立了完善的生产流程和设备体系，如何将连续流电合成技术有效地融入现有的工业生产中，实现技术的平稳过渡和升级，同时避免对现有生产造成过大的冲击，需要在技术研发、工程设计和企业管理等多个层面进行综合考虑和协调。

（2）未来展望

尽管面临诸多挑战，但随着科技的不断进步和研究的深入开展，连续流电合成技术在精细化学品与药物合成领域的未来前景依然十分广阔。

在技术创新方面，预计将有更多新型电极材料和催化剂被开发出来，这些材料将具有更高的催化活性、选择性和稳定性，能够进一步提高连续流电合成反应的效率和质量。同时，反应器的设计和制造技术也将不断优化，通过采用先进的材料和制造工艺，实现反应器的高效放大，为大规模工业化生产提供可靠的设备支持。

产品展示

       SSC-ECF80系列电合成微通道流动池，具有高效率、高稳定、长寿命的特性，适用于气液流动条件下的电催化反应，用于电化合成、电催化二氧化碳、电催化合成氨、电合成双氧水等。

产品优势：

1)池体采用双密封技术，密封效果极加，不漏液。

2)流道材质根据客户使用情况可以选择，钛合金，石墨或镀金可选。

3)多种流道可以选择，标配为蛇形通道，根据实验需求可以定做不同流动样式。

4)电极有效活性面积可选择行多。

5)管路接头均为标准接头，可选择多种管路。

6)可根据需求定制各种池体结构。