流動化學(xué)作為一種具有多方位優(yōu)勢的反應(yīng)技術(shù)，在近年來得到了廣泛的研究和應(yīng)用。當(dāng)化學(xué)反應(yīng)被置于管狀反應(yīng)器中以流動的方式進(jìn)行時(shí)可以帶來諸多好處，例如更快速的熱量耗散，更高的安全性，以及規(guī)模化生產(chǎn)等等。目前流動化學(xué)技術(shù)已經(jīng)被大量應(yīng)用于制藥工業(yè)，為復(fù)雜的多步合成反應(yīng)提供便利，但在高分子合成方面，這項(xiàng)技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用還停留在包括聚酯(PET)、聚苯乙烯(PS)類均聚物或共聚物的簡單制備工藝上。事實(shí)上，高效的流動化學(xué)制備體系與傳統(tǒng)的間歇反應(yīng)器相比，不僅能夠解決后者在處理復(fù)雜高分子合成上的高成本問題，還能通過特殊的工藝設(shè)計(jì)制備出傳統(tǒng)方法下難以得到的新型高分子材料(如圖1)，因此具有廣闊的潛力和價(jià)值。在本篇發(fā)表在ACS Macro Letters上的Viewpoint中，來自美國北卡羅萊納大學(xué)的Frank A. Leibfarth教授和比利時(shí)哈瑟爾特大學(xué)Louis M. Pitet教授主要綜述了管式(微)反應(yīng)器這一種流動化學(xué)技術(shù)在聚合反應(yīng)中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，并對這一領(lǐng)域未來的發(fā)展方向做出了展望。

圖1. 流動聚合助力的復(fù)雜高分子結(jié)構(gòu)合成。

嵌段共聚物是指具有兩種以上重復(fù)單元序列的一類聚合物。當(dāng)不同嵌段間的相容性較低時(shí)，聚合物鏈傾向于組裝成各種形貌的納米結(jié)構(gòu)，在藥物遞送、選擇性膜分離領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。嵌段共聚物的合成在傳統(tǒng)的間歇反應(yīng)(batch reaction)體系中由于涉及多步的反應(yīng)、純化工序，需要投入大量的勞力，但在流動化學(xué)反應(yīng)器中，只要將不同單體在連續(xù)的反應(yīng)管道中分段加入，就可以形成一種串聯(lián)化的反應(yīng)模式，完成多嵌段共聚物的快速制備(如圖2)。這一策略在多種活性聚合方法如ATRP(原子轉(zhuǎn)移自由基聚合)和RAFT(可逆加成斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合)中均得到了實(shí)現(xiàn)。

圖2. 通過串聯(lián)式流動微反應(yīng)器合成四嵌段聚合物。

在流動聚合中，管內(nèi)流體的流動狀態(tài)對最終聚合物的結(jié)構(gòu)、分子量和分子量分布有著較大影響，其中重要的一個(gè)影響因素是停留時(shí)間分布(Retention time distribution, RTD)，指的是同時(shí)進(jìn)入管內(nèi)的流體在管中的反應(yīng)時(shí)間分布。由于大部分聚合反應(yīng)液以層流模式進(jìn)行流動，管壁帶來的摩擦力導(dǎo)致管中心部分的流體比邊緣具有更高的流速，停留時(shí)間更短，增大了聚合物的分子量分布(圖3A)。研究者們開發(fā)了多種策略以解決RTD效應(yīng)帶來的影響，包括滴流技術(shù)、靜態(tài)混合器等(圖3B)。

圖3. (A)理想化和實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的流體流動模式對比；(B)用于解決停留時(shí)間分布問題的幾種策略。

流動化學(xué)的另一大優(yōu)勢即可以通過參數(shù)調(diào)節(jié)在多種反應(yīng)條件間進(jìn)行快速切換，包括反應(yīng)時(shí)間、溫度、投料比等，這使其成為分析聚合反應(yīng)動力學(xué)的可靠工具。在一項(xiàng)報(bào)道中，研究人員通過在流動反應(yīng)中不斷切換兩種單體的投料比和反應(yīng)時(shí)間，在4 h內(nèi)得到了不同組成分布的共聚物，并以此快速測定了兩種單體的競聚率(如圖4)。

圖4. 用于快速測定共聚單體競聚率的流動化學(xué)體系。

基于其快速可調(diào)的特性，流動化學(xué)輔助的聚合物高通量合成也多次被報(bào)道。通過管路結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)和自動化控制技術(shù)的引入，研究者們能夠在數(shù)分鐘內(nèi)合成出上百個(gè)具有不同化學(xué)組成的共聚物庫(圖5)，這對于研究聚合物的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系并篩選出合適的功能材料起到了極大的推動，但這一過程還需要高通量的聚合物檢測手段的輔助，因此有待后續(xù)的研究跟進(jìn)。

圖5. (A)用于快速制備共聚物庫的滴流式流動反應(yīng)器，其中P4泵注入與反應(yīng)液不溶的流體以形成液滴；(B)基于催化劑切換策略的嵌段共聚物高通量合成。

盡管近年來流動化學(xué)技術(shù)在聚合反應(yīng)中的應(yīng)用研究取得了一些進(jìn)展，但作者認(rèn)為目前開發(fā)出的優(yōu)勢技術(shù)還不足以取代傳統(tǒng)的合成工藝。而隨著這一領(lǐng)域的穩(wěn)步前進(jìn)，流動化學(xué)必將成為高分子合成化學(xué)家們“武器庫”中的常備技術(shù)，同時(shí)也能夠更加適用于非專業(yè)群體，以幫助我們打開更新穎、更廣闊高分子結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)合成之門。

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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmacrolett.9b00933

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