化學(xué)教學(xué)中的連續(xù)流化學(xué)

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(shí)上,，大多數(shù)批量化學(xué)品是在一個(gè)連續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程中生產(chǎn)的,。然而,，歷來(lái)規(guī)模為數(shù)百?lài)嵉綌?shù)千公斤的精細(xì)化學(xué)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(shí)驗(yàn)室規(guī)模上很常見(jiàn),，無(wú)論是在學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室還是在工業(yè)實(shí)驗(yàn)室，所有的化學(xué)反應(yīng)都是間歇方式進(jìn)行的,，包括在更大的規(guī)模上的優(yōu)化,。另一方面，財(cái)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(xué)反應(yīng),，因此操作成本低。盡管如此,，近20多年來(lái),，學(xué)術(shù)合成化學(xué)研究人員越來(lái)越關(guān)注連續(xù)流化學(xué)，這些研究人員逐步認(rèn)識(shí)到在小體積微反應(yīng)器中連續(xù)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的好處,。其內(nèi)在的安全性,、相對(duì)良好的傳質(zhì)和傳熱、對(duì)反應(yīng)條件的良好控制以及反應(yīng)的可重復(fù)性,，促使越來(lái)越多的化學(xué)家使用連續(xù)流反應(yīng)操作方式,。此外，精細(xì)化工和制藥行業(yè)的化學(xué)家越來(lái)越熱衷于在新工藝中應(yīng)用連續(xù)流反應(yīng),。考慮到流動(dòng)化學(xué)的優(yōu)勢(shì)及其在制藥和精細(xì)化工生產(chǎn)中的日益重要的地位,，在化學(xué)教育中對(duì)連續(xù)流動(dòng)化學(xué)的重視也顯得尤為重要。但現(xiàn)在教學(xué)在很大程度上仍然是通過(guò)傳統(tǒng)的間歇化學(xué)實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行的,。在這篇綜述中,，作者將重點(diǎn)介紹在學(xué)生職業(yè)生涯的各個(gè)階段改進(jìn)化學(xué)教學(xué)的機(jī)會(huì)。

本科課程

本科課程是高等化學(xué)教育中基礎(chǔ)的部分,。在這個(gè)階段,，課程與研究還沒(méi)有明確的聯(lián)系，主要是化學(xué)和化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)方面的教學(xué),。實(shí)驗(yàn)課上也是利用常規(guī)教科書(shū)以傳統(tǒng)的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練。在過(guò)去的幾十年里,，化學(xué)教學(xué)的這一部分內(nèi)容并沒(méi)有發(fā)生太大的變化,，但實(shí)際上應(yīng)該遵循實(shí)驗(yàn)化學(xué)研究的重要趨勢(shì)進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)階段,，當(dāng)學(xué)生開(kāi)始做他們的實(shí)驗(yàn)的時(shí)候,，在這一階段引入流動(dòng)化學(xué)非常重要，而不是在傳統(tǒng)的間歇反應(yīng)中進(jìn)行所有的實(shí)踐訓(xùn)練。然而,，這種實(shí)踐需要一些基本的流動(dòng)化學(xué)知識(shí),，教學(xué)模塊的可用性，以及可以在化學(xué)實(shí)驗(yàn)課中使用的合適的流動(dòng)設(shè)備,。更重要的是,，還需要愿意投入時(shí)間，精力及經(jīng)費(fèi)的教師的努力,，將流動(dòng)化學(xué)原理納入基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課,。然而，作者認(rèn)為,，尤其在這個(gè)早期階段,，學(xué)生們必須認(rèn)識(shí)到，實(shí)驗(yàn)既可有間歇方式又有流動(dòng)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(dòng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的實(shí)施，有很多可以借鑒的方式,，比如：

• 手動(dòng)搭建流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置,。Wirth等人早期的案例，提供了關(guān)于流動(dòng)化學(xué)的背景信息和詳細(xì)的步驟,，可以很容易地應(yīng)用于本科實(shí)驗(yàn)課,。Noel提供了更高級(jí)的案例包括更詳細(xì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn),。因?yàn)檫@些著作顯示即使不用非常*的，自動(dòng)化的,，或者昂貴的商業(yè)的流動(dòng)設(shè)備也可以操作流動(dòng)實(shí)驗(yàn),，對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力及從根本上了解流動(dòng)化學(xué)都有重要意義。
• 專(zhuān)業(yè)的供應(yīng)商也可以提供教育套裝,。Future Chemistry公司早開(kāi)始提供完善的連續(xù)流教學(xué)模塊,，其他幾家公司也緊隨其后，目前還能提供相當(dāng)完善的教學(xué)手冊(cè),。

碩士課程

與本科課程相比,，碩士課程通常在教學(xué)和研究之間有更強(qiáng)的聯(lián)系。除此之外,，課程還包含了更高級(jí)的化學(xué)主題和當(dāng)前的研究趨勢(shì),，在許多國(guó)家，碩士教學(xué)的一個(gè)主要部分是在課題組內(nèi)進(jìn)行科學(xué)訓(xùn)練(實(shí)習(xí))。因此,，學(xué)生可以選擇涉及連續(xù)流化學(xué)的研究主題,，從而獲得這一領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)。在流動(dòng)化學(xué)的早期,，連續(xù)流實(shí)驗(yàn)在很大程度上用于改進(jìn)或更安全操作傳統(tǒng)的釜式反應(yīng),。近年來(lái)，研究課題已經(jīng)轉(zhuǎn)向了流動(dòng)化學(xué)明顯優(yōu)于間歇化學(xué)的領(lǐng)域,。比如光化學(xué)和光氧化還原化學(xué),，這兩個(gè)方向上的應(yīng)用在傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式上非常受限，因?yàn)樯婕暗焦獾姆磻?yīng)是很難批量擴(kuò)展的,。然而,，流動(dòng)化學(xué)的出現(xiàn)大大促進(jìn)了光化學(xué)和光氧化還原化學(xué)的廣泛應(yīng)用，因?yàn)榱鲃?dòng)工藝使光化學(xué)工藝更容易于擴(kuò)展,。目前參與流動(dòng)光氧化還原化學(xué)的群體數(shù)量的巨大增長(zhǎng)也幫助了更大比例的碩士生獲得了流動(dòng)化學(xué)反應(yīng)的經(jīng)驗(yàn),。與間歇化學(xué)相比，流動(dòng)化學(xué)具有特殊優(yōu)勢(shì)的其他領(lǐng)域包括酶促反應(yīng),、超短(閃光)反應(yīng)和擴(kuò)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(xué)生提供有趣的機(jī)會(huì),。

博士課程

類(lèi)似的觀點(diǎn)也適用于流體化學(xué)的博士教學(xué),。此外，作者強(qiáng)烈認(rèn)為,，應(yīng)該鼓勵(lì)博士生在自己的研究項(xiàng)目中進(jìn)行流動(dòng)化學(xué)實(shí)驗(yàn),。這個(gè)概念在Initial Training Network ECHONE得到了成功的實(shí)施，所有早期的研究人員都在暑期學(xué)校接受了流動(dòng)化學(xué)的培訓(xùn),，其中一部分課程由學(xué)生起草研究計(jì)劃,，在他們自己的研究項(xiàng)目中實(shí)施流動(dòng)化學(xué)。在許多案例中,，也開(kāi)展了實(shí)際的實(shí)驗(yàn)研究,，使學(xué)生們認(rèn)識(shí)到流動(dòng)化學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，并發(fā)表了新的科學(xué)文章,。事實(shí)上,更多研究人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到,如果他們必須重復(fù)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(dòng)力學(xué)),用流動(dòng)化學(xué)反應(yīng)技術(shù)更有優(yōu)勢(shì),因?yàn)榱鲃?dòng)化學(xué)控制反應(yīng)條件更精確,工藝重現(xiàn)性更好,。

如今，越來(lái)越多的書(shū)籍為連續(xù)流反應(yīng)提供了豐富的背景,、信息和實(shí)驗(yàn)步驟,，以進(jìn)一步激勵(lì)博士生從事連續(xù)流化學(xué)。另外,，各大有機(jī)合成相關(guān)的學(xué)術(shù)會(huì)議,，研習(xí)會(huì)，工藝研討會(huì)上也越來(lái)越多的報(bào)道流動(dòng)化學(xué),。必須不斷鼓勵(lì)博士生思考流動(dòng)化學(xué)的新可能性,，并將其應(yīng)用到自己的項(xiàng)目中。

綜上所述,，在過(guò)去的二十年中,，連續(xù)流化學(xué)反應(yīng)已經(jīng)從特殊領(lǐng)域上升到有機(jī)合成的全領(lǐng)域，對(duì)精細(xì)化學(xué)品和藥品的生產(chǎn)具有重要意義,。近年來(lái),，流動(dòng)化學(xué)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(xué)領(lǐng)域中出現(xiàn)了巨大的增長(zhǎng)，這一趨勢(shì)將繼續(xù)下去,。作者相信,，這種化學(xué)反應(yīng)的新方法將在今后的研究中帶來(lái)更多機(jī)遇。這也需要更資深的化學(xué)家承擔(dān)起道德責(zé)任,，在化學(xué)教育的每個(gè)階段盡可能多地鼓勵(lì)學(xué)生使用連續(xù)流化學(xué),。

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(dòng)教學(xué)，Labtrix Start 連續(xù)流微反應(yīng)器現(xiàn)已在多個(gè)高校用于教學(xué)演示,，其配置包括：溫度控制器,，兩個(gè)泵，一個(gè)反應(yīng)器支架,，多個(gè)反應(yīng)器芯片,， “Micro Reaction technology on Organic Synthesis”教科書(shū)一本，教學(xué)方法一套及流動(dòng)化學(xué)計(jì)算軟件一套,。

Labtrix® Start 連續(xù)流微反應(yīng)器用于教學(xué)演示可以有助于學(xué)生理解連續(xù)流動(dòng)化學(xué)技術(shù),，培訓(xùn)學(xué)生操作連續(xù)流反應(yīng)器技能，及培養(yǎng)學(xué)生開(kāi)發(fā)新型流動(dòng)化學(xué)反應(yīng)的能力,。

目前國(guó)內(nèi)四川大學(xué),，中山大學(xué)將微通道反應(yīng)技術(shù)教學(xué)課程加到化學(xué)化工教學(xué)課程中（本科、研究生教學(xué)）,，旨在加強(qiáng)學(xué)生對(duì)連續(xù)流技術(shù)的理解和技術(shù)推廣,，配置多套實(shí)驗(yàn)室用途的微通道反應(yīng)器+一套中試設(shè)備。學(xué)生分組進(jìn)行微通道實(shí)驗(yàn)（4-5人一組,，采用labtrix start進(jìn)行教學(xué)方法手冊(cè)中的試驗(yàn)）,、老師操作中試生產(chǎn)設(shè)備（采用kiloflow做同一實(shí)驗(yàn)）。對(duì)比試驗(yàn)條件,、結(jié)果和相關(guān)數(shù)據(jù),，可以驗(yàn)證微通道反應(yīng)無(wú)放大效應(yīng)，并且操作過(guò)程安全,、自動(dòng)化控制,，讓學(xué)生真正能體會(huì)到流動(dòng)化學(xué)的魅力所在,。

荷蘭南方大學(xué)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(shí)驗(yàn)教學(xué)和早期實(shí)驗(yàn)條件。Gino van Strydonck教授說(shuō) “在南方大學(xué),，我們希望學(xué)生學(xué)習(xí),、接觸的實(shí)驗(yàn)技術(shù)、設(shè)備,。我們建立了微反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)室,，選用Labtrix® Start用于微反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)教學(xué)和優(yōu)化、篩選反應(yīng)條件,。 ”

比利時(shí)根特大學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。Stevens教授說(shuō)：“是時(shí)候讓學(xué)生接觸連續(xù)流技術(shù),，并讓他們實(shí)際操作,，領(lǐng)悟連續(xù)流技術(shù)帶來(lái)的變革，這樣,，他們一旦進(jìn)入工廠,，可以將新的技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)”。

公司簡(jiǎn)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(guó)AM公司（連續(xù)多級(jí)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(guó)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(guò)濾干燥、在線分析等整套連續(xù)工藝解決方案,。

公司與復(fù)旦大學(xué),、南京大學(xué)、中山大學(xué),、華東理工大學(xué),、南京工業(yè)大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué),、河北工業(yè)大學(xué)等高校研究機(jī)構(gòu)合作成立微通道連續(xù)流化學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,，致力于推動(dòng)連續(xù)流工藝在有機(jī)合成、精細(xì)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(shí)驗(yàn)室可以為客戶(hù)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(yàn)證,、連續(xù)流工藝開(kāi)發(fā)工作,，促進(jìn)制藥及精細(xì)化工企業(yè)由傳統(tǒng)間歇工藝向綠色、安全,、快速,、經(jīng)濟(jì)的連續(xù)工藝轉(zhuǎn)變。

公司與荷蘭Chemtrix B.V.在浙江臺(tái)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(jiǎn)稱(chēng)“工業(yè)化技術(shù)中心”），旨在打造集連續(xù)流微通道工藝開(kāi)發(fā),、中試試驗(yàn),、工業(yè)化驗(yàn)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(lèi)企業(yè)提供專(zhuān)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,。