化學教學中的連續(xù)流化學

背景

連續(xù)工藝在化工產(chǎn)品的批量生產(chǎn)中有著悠久的歷史。事實上，大多數(shù)批量化學品是在一個連續(xù)的生產(chǎn)過程中生產(chǎn)的。然而，歷來規(guī)模為數(shù)百噸到數(shù)千公斤的精細化學品和藥品生產(chǎn)卻選擇用間歇的方式。一方面，這種情況在實驗室規(guī)模上很常見，無論是在學術(shù)實驗室還是在工業(yè)實驗室，所有的化學反應(yīng)都是間歇方式進行的，包括在更大的規(guī)模上的優(yōu)化。另一方面，財務(wù)方面也很重要，多用途(中試)工廠幾乎可以連續(xù)用于任何化學反應(yīng)，因此操作成本低。盡管如此，近20多年來，學術(shù)合成化學研究人員越來越關(guān)注連續(xù)流化學，這些研究人員逐步認識到在小體積微反應(yīng)器中連續(xù)進行化學反應(yīng)的好處。其內(nèi)在的安全性、相對良好的傳質(zhì)和傳熱、對反應(yīng)條件的良好控制以及反應(yīng)的可重復性，促使越來越多的化學家使用連續(xù)流反應(yīng)操作方式。此外，精細化工和制藥行業(yè)的化學家越來越熱衷于在新工藝中應(yīng)用連續(xù)流反應(yīng)。考慮到流動化學的優(yōu)勢及其在制藥和精細化工生產(chǎn)中的日益重要的地位，在化學教育中對連續(xù)流動化學的重視也顯得尤為重要。但現(xiàn)在教學在很大程度上仍然是通過傳統(tǒng)的間歇化學實驗課進行的。在這篇綜述中，作者將重點介紹在學生職業(yè)生涯的各個階段改進化學教學的機會。

本科課程

本科課程是高等化學教育中基礎(chǔ)的部分。在這個階段，課程與研究還沒有明確的聯(lián)系，主要是化學和化學反應(yīng)的基礎(chǔ)方面的教學。實驗課上也是利用常規(guī)教科書以傳統(tǒng)的方式進行實驗訓練。在過去的幾十年里，化學教學的這一部分內(nèi)容并沒有發(fā)生太大的變化，但實際上應(yīng)該遵循實驗化學研究的重要趨勢進行調(diào)整。這個階段，當學生開始做他們的實驗的時候，在這一階段引入流動化學非常重要，而不是在傳統(tǒng)的間歇反應(yīng)中進行所有的實踐訓練。然而，這種實踐需要一些基本的流動化學知識，教學模塊的可用性，以及可以在化學實驗課中使用的合適的流動設(shè)備。更重要的是，還需要愿意投入時間，精力及經(jīng)費的教師的努力，將流動化學原理納入基礎(chǔ)實驗課。然而，作者認為，尤其在這個早期階段，學生們必須認識到，實驗既可有間歇方式又有流動方式，并在早期考慮將連續(xù)流作為間歇反應(yīng)的替代方案。有關(guān)流動化學實驗在教學中的實施，有很多可以借鑒的方式，比如：

• 手動搭建流動實驗裝置。Wirth等人早期的案例，提供了關(guān)于流動化學的背景信息和詳細的步驟，可以很容易地應(yīng)用于本科實驗課。Noel提供了更高級的案例包括更詳細的步驟，近期Kappe描述如何用商品化部件(泵、管道、連接器代替燒瓶、回流冷凝器和其他玻璃器皿)構(gòu)建連續(xù)流裝置，以及如何在這種裝置中安全地進行實驗。因為這些著作顯示即使不用非常*的，自動化的，或者昂貴的商業(yè)的流動設(shè)備也可以操作流動實驗，對學生的動手能力及從根本上了解流動化學都有重要意義。
• 專業(yè)的供應(yīng)商也可以提供教育套裝。Future Chemistry公司早開始提供完善的連續(xù)流教學模塊，其他幾家公司也緊隨其后，目前還能提供相當完善的教學手冊。

碩士課程

與本科課程相比，碩士課程通常在教學和研究之間有更強的聯(lián)系。除此之外，課程還包含了更高級的化學主題和當前的研究趨勢，在許多國家，碩士教學的一個主要部分是在課題組內(nèi)進行科學訓練(實習)。因此，學生可以選擇涉及連續(xù)流化學的研究主題，從而獲得這一領(lǐng)域的經(jīng)驗。在流動化學的早期，連續(xù)流實驗在很大程度上用于改進或更安全操作傳統(tǒng)的釜式反應(yīng)。近年來，研究課題已經(jīng)轉(zhuǎn)向了流動化學明顯優(yōu)于間歇化學的領(lǐng)域。比如光化學和光氧化還原化學，這兩個方向上的應(yīng)用在傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式上非常受限，因為涉及到光的反應(yīng)是很難批量擴展的。然而，流動化學的出現(xiàn)大大促進了光化學和光氧化還原化學的廣泛應(yīng)用，因為流動工藝使光化學工藝更容易于擴展。目前參與流動光氧化還原化學的群體數(shù)量的巨大增長也幫助了更大比例的碩士生獲得了流動化學反應(yīng)的經(jīng)驗。與間歇化學相比，流動化學具有特殊優(yōu)勢的其他領(lǐng)域包括酶促反應(yīng)、超短(閃光)反應(yīng)和擴展工藝窗口(高溫、高壓)，所有這些快速發(fā)展的領(lǐng)域?qū)榇T士學生提供有趣的機會。

博士課程

類似的觀點也適用于流體化學的博士教學。此外，作者強烈認為，應(yīng)該鼓勵博士生在自己的研究項目中進行流動化學實驗。這個概念在Initial Training Network ECHONE得到了成功的實施，所有早期的研究人員都在暑期學校接受了流動化學的培訓，其中一部分課程由學生起草研究計劃，在他們自己的研究項目中實施流動化學。在許多案例中，也開展了實際的實驗研究，使學生們認識到流動化學的優(yōu)點，并發(fā)表了新的科學文章。事實上,更多研究人員應(yīng)該認識到,如果他們必須重復執(zhí)行相同的反應(yīng)(如優(yōu)化,確定范圍,或者確定反應(yīng)的動力學),用流動化學反應(yīng)技術(shù)更有優(yōu)勢,因為流動化學控制反應(yīng)條件更精確,工藝重現(xiàn)性更好。

如今，越來越多的書籍為連續(xù)流反應(yīng)提供了豐富的背景、信息和實驗步驟，以進一步激勵博士生從事連續(xù)流化學。另外，各大有機合成相關(guān)的學術(shù)會議，研習會，工藝研討會上也越來越多的報道流動化學。必須不斷鼓勵博士生思考流動化學的新可能性，并將其應(yīng)用到自己的項目中。

綜上所述，在過去的二十年中，連續(xù)流化學反應(yīng)已經(jīng)從特殊領(lǐng)域上升到有機合成的全領(lǐng)域，對精細化學品和藥品的生產(chǎn)具有重要意義。近年來，流動化學的使用在規(guī)模和安全性方面受到限制的傳統(tǒng)間歇化學領(lǐng)域中出現(xiàn)了巨大的增長，這一趨勢將繼續(xù)下去。作者相信，這種化學反應(yīng)的新方法將在今后的研究中帶來更多機遇。這也需要更資深的化學家承擔起道德責任，在化學教育的每個階段盡可能多地鼓勵學生使用連續(xù)流化學。

我司代理的荷蘭Chemtrix品牌的Labtrix start微通道反應(yīng)器非常適合流動教學，Labtrix Start 連續(xù)流微反應(yīng)器現(xiàn)已在多個高校用于教學演示，其配置包括：溫度控制器，兩個泵，一個反應(yīng)器支架，多個反應(yīng)器芯片， “Micro Reaction technology on Organic Synthesis”教科書一本，教學方法一套及流動化學計算軟件一套。

Labtrix® Start 連續(xù)流微反應(yīng)器用于教學演示可以有助于學生理解連續(xù)流動化學技術(shù)，培訓學生操作連續(xù)流反應(yīng)器技能，及培養(yǎng)學生開發(fā)新型流動化學反應(yīng)的能力。

目前國內(nèi)四川大學，中山大學將微通道反應(yīng)技術(shù)教學課程加到化學化工教學課程中（本科、研究生教學），旨在加強學生對連續(xù)流技術(shù)的理解和技術(shù)推廣，配置多套實驗室用途的微通道反應(yīng)器+一套中試設(shè)備。學生分組進行微通道實驗（4-5人一組，采用labtrix start進行教學方法手冊中的試驗）、老師操作中試生產(chǎn)設(shè)備（采用kiloflow做同一實驗）。對比試驗條件、結(jié)果和相關(guān)數(shù)據(jù)，可以驗證微通道反應(yīng)無放大效應(yīng)，并且操作過程安全、自動化控制，讓學生真正能體會到流動化學的魅力所在。

荷蘭南方大學應(yīng)用多套Labtrix® Start 連續(xù)流反應(yīng)器應(yīng)用于微反應(yīng)器技術(shù)實驗教學和早期實驗條件。Gino van Strydonck教授說 “在南方大學，我們希望學生學習、接觸的實驗技術(shù)、設(shè)備。我們建立了微反應(yīng)器實驗室，選用Labtrix® Start用于微反應(yīng)器實驗教學和優(yōu)化、篩選反應(yīng)條件。 ”

比利時根特大學實驗室有一套Labtrix® Start連續(xù)流反應(yīng)器和 一套 KiloFlow® 微通道反應(yīng)器，用于早期方法研究和放大實驗。Stevens教授說：“是時候讓學生接觸連續(xù)流技術(shù)，并讓他們實際操作，領(lǐng)悟連續(xù)流技術(shù)帶來的變革，這樣，他們一旦進入工廠，可以將新的技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)”。

公司簡介：

深圳市一正科技有限公司，作為荷蘭Chemtrix公司（微通道反應(yīng)器）、英國AM公司（連續(xù)多級攪拌反應(yīng)器、催化加氫系統(tǒng)）、瑞典SpinChem公司（旋轉(zhuǎn)床反應(yīng)器）在中國區(qū)的代理商和技術(shù)服務(wù)商，為廣大高校和企業(yè)提供連續(xù)合成、在線萃取、連續(xù)結(jié)晶、在線過濾干燥、在線分析等整套連續(xù)工藝解決方案。

公司與復旦大學、南京大學、中山大學、華東理工大學、南京工業(yè)大學、浙江工業(yè)大學、河北工業(yè)大學等高校研究機構(gòu)合作成立微通道連續(xù)流化學聯(lián)合實驗室，致力于推動連續(xù)流工藝在有機合成、精細化工、制藥行業(yè)、能源材料、食品飲料等領(lǐng)域的應(yīng)用，合作實驗室可以為客戶的傳統(tǒng)間歇釜式工藝在連續(xù)流工藝上的轉(zhuǎn)變提供工藝驗證、連續(xù)流工藝開發(fā)工作，促進制藥及精細化工企業(yè)由傳統(tǒng)間歇工藝向綠色、安全、快速、經(jīng)濟的連續(xù)工藝轉(zhuǎn)變。

公司與荷蘭Chemtrix B.V.在浙江臺州、江蘇南京合作組建了連續(xù)流微通道工業(yè)化應(yīng)用技術(shù)中心（以下簡稱“工業(yè)化技術(shù)中心”），旨在打造集連續(xù)流微通道工藝開發(fā)、中試試驗、工業(yè)化驗證、技術(shù)交流于一體的綜合性連續(xù)流微通道應(yīng)用技術(shù)服務(wù)中心，以為廣大生物醫(yī)藥企業(yè)、化工類企業(yè)提供專業(yè)、完善的智能化連續(xù)流工藝整套系統(tǒng)解決方案及的技術(shù)服務(wù)方案。