在過去的十年中，光化學(xué)，尤其是光催化作為一種變革性的合成方法被有機化學(xué)界所接受，從而可以開發(fā)出新的和以前難以捉摸的合成方法。在這些方法中，有機分子和光催化劑可以利用光能達到激發(fā)態(tài)最終導(dǎo)致新的化學(xué)鍵。許多最近開發(fā)的方法在非常溫和的反應(yīng)條件下（即在室溫下，使用可見光，避免有毒和有害試劑）下操作，從而提供出色的官能團耐受性。因此，光化學(xué)和光催化已與其他催化平臺無縫融合，例如過渡金屬催化，生物催化，對映選擇性催化，甚至電催化，允許使用各種非常規(guī)偶聯(lián)伙伴構(gòu)建化學(xué)鍵。

然而，盡管光子在有機合成中的應(yīng)用與該領(lǐng)域本身一樣古老，它一直受到質(zhì)疑。在較早的一篇關(guān)于光化學(xué)的評論中，Noyes 和 Kassel 在第一段中已經(jīng)指出：“不幸的是，雖然光化學(xué)可以說比它的同行們老得多，但它目前處于更加不令人滿意的狀態(tài)。” 實際上，就反應(yīng)動力學(xué)而言，光化學(xué)轉(zhuǎn)化通常被認為非常復(fù)雜。同樣從放大的角度來看，由于光子的高成本，光化學(xué)仍被視為一項艱巨的挑戰(zhàn)和光吸收，這導(dǎo)致通過反應(yīng)介質(zhì)的光強度逐漸喪失。這削弱了研究人員（尤其是在精細化工行業(yè)）將光化學(xué)步驟整合到藥物、農(nóng)用化學(xué)品和材料的合成路線中的信心。一般的看法是完全避免光化學(xué)，因為它帶來了太多無法克服的問題，無法將分子推向市場。光化學(xué)只有在沒有替代品的情況下才被考慮，例如在生產(chǎn)維生素D（vitamin D） 和玫瑰醚（rose oxide）作為主要例子。

然而，這一次可能是合成光化學(xué)在行業(yè)中取得決定性突破的正確時機。這種說法的第一個原因是光催化在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的迅速吸收和成熟，使研究人員能夠完全重新思考有機分子的組裝。令人矚目的是，公司以較快的速度建立了專家小組來研究光催化對其合成項目的潛在影響。其次，發(fā)光二極管 (LED) 技術(shù)的巨大發(fā)展導(dǎo)致了單色、節(jié)能、耐用和高強度光源的發(fā)展，降低了光子在光化學(xué)應(yīng)用中的有效成本。第三，近年來開發(fā)了各種先進的光化學(xué)反應(yīng)器技術(shù)，這些技術(shù)顯示出開展從實驗室到生產(chǎn)規(guī)模的光化學(xué)過程的巨大希望。幾家公司專注于開發(fā)和商業(yè)化標準化設(shè)備，以進行不同規(guī)模的光催化轉(zhuǎn)化。然而，重要的是要注意光催化在有機合成中的應(yīng)用并不是最近的發(fā)明。相反，幾十年前就已經(jīng)做出了一些重要的貢獻。因此，可以說，實際上是這三種不同的技術(shù)（即光催化、光源和反應(yīng)器技術(shù)）的結(jié)合，它們各自獨立發(fā)展并有自己的一套規(guī)則，才能保證光化學(xué)的存在。在環(huán)保意識不斷提高的時代，該聲明的另一個重要指標是，化學(xué)工業(yè)需要開發(fā)更可持續(xù)和更節(jié)能的工藝，同時減少廢物產(chǎn)生和對環(huán)境的影響最小。光化學(xué)可以在這種轉(zhuǎn)變中發(fā)揮關(guān)鍵作用，因為光可以被視為一種可再生的、無痕的試劑，大多數(shù)光化學(xué)過程都遵循綠色化學(xué)的原則。

本文在詳細介紹在合成有機化學(xué)的光化學(xué)和光催化領(lǐng)域中觀察到的新技術(shù)進步。首先，詳細介紹了光化學(xué)的基礎(chǔ)知識，包括光子對觀察到的反應(yīng)動力學(xué)的重要性、關(guān)鍵的光化學(xué)定律以及適當光源選擇的一些準則。這個介紹部分很重要，因為它將讓讀者對技術(shù)可以對合成光化學(xué)產(chǎn)生影響的原因有一個基本的了解。接下來，我們將討論不同的光化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計以及擴大規(guī)模的愿景。此外，從 2016 年起，詳細介紹了流式技術(shù)在合成光化學(xué)和光催化中的應(yīng)用（例如 2016 年之前的例子，我們參考我們之前的化學(xué)評論貢獻。此外，我們討論了該領(lǐng)域中一些令人興奮的新學(xué)科，包括高通量實驗的使用以及光化學(xué)和電化學(xué)的結(jié)合。在整個審查過程中，我們主要關(guān)注有機小分子的合成。然而，在適當?shù)那闆r下，我們也包括了其他學(xué)科的例子，例如，CO 2轉(zhuǎn)化或聚合物化學(xué)。

光化學(xué)基礎(chǔ)

溫度與光子的動力學(xué)速率依賴性

提高反應(yīng)溫度是加速反應(yīng)最常用的策略之一。溫度升高會導(dǎo)致反應(yīng)時間顯著縮短。這種快速加熱可以通過在微反應(yīng)器中進行反應(yīng)來實現(xiàn)或通過使反應(yīng)容器經(jīng)受微波能量。Arrhenius公式提供了反應(yīng)速率和反應(yīng)溫度之間的直接相關(guān)性，它代表了反應(yīng)動力學(xué)中的基本方程之一。通常，進行反應(yīng)所需的溫度非常高，以至于會導(dǎo)致起始材料在反應(yīng)之前過早分解。在這種情況下，化學(xué)家已經(jīng)尋求通過添加額外的活化試劑來降低活化能的策略，例如催化劑、酸/堿、還原劑/氧化劑。

克服這些反應(yīng)的能量障礙也可以通過光子的選擇性吸收來實現(xiàn)。有趣的是，光子驅(qū)動轉(zhuǎn)換的動力學(xué)強烈依賴于光子通量，即每單位時間觀察到的光子數(shù)。

圖1、熱化學(xué) (A) 與光化學(xué)活化 (B)。

對于低光照強度（<200–250 W·m –2左右），β 等于 1.0，表明反應(yīng)速率常數(shù)隨著光照強度的增加呈線性增加（圖 2）。由于該方程式中沒有熱成分，因此光化學(xué)反應(yīng)速率可以在室溫下進行，并且可以通過簡單地改變光強度來輕松調(diào)節(jié)。從安全的角度來看，大多數(shù)光化學(xué)反應(yīng)都可以通過關(guān)閉光來輕松終止。

圖2、平均反應(yīng)速率與光子通量的關(guān)系。(A) β 為 1.0 的線性狀態(tài)可以在較低的光強度下觀察到。該反應(yīng)在整個反應(yīng)器中受到光子限制。線性部分可以通過增加光催化劑負載來擴展。(B) 對于中等光強度，β 約為 0.5，反應(yīng)器的某些部分存在明顯的動力學(xué)限制。(C) 對于高光子通量，β 變?yōu)?0，因此反應(yīng)速率與光強無關(guān)。在整個反應(yīng)器中觀察到動力學(xué)限制。

在某一時刻，光強度的進一步增加不會導(dǎo)致反應(yīng)速率的提高。反應(yīng)最終變得獨立于光子通量 (β = 0)。此時，光催化劑一直處于活性狀態(tài)，反應(yīng)介質(zhì)完全被光子飽和。額外的光子將不再被有效吸收。值得注意的是，可以很容易地理解，這種相關(guān)性的線性部分可以通過增加催化劑負載（或通過增加光子吸收物質(zhì)的濃度）來擴展。這些重要的見解對光化學(xué)過程的能量效率有影響，因此仔細平衡催化劑負載與光強度是很重要的。

光化學(xué)定律

當反應(yīng)混合物被照射時，只有一小部分光會被吸收，因為大量的入射光會被散射、透射或反射。然而，只有吸收的光才能引起光化學(xué)轉(zhuǎn)化。這種洞察力被稱為光化學(xué)第一定律（也稱為 Grotthüs-Draper 定律）。例如，可以用可見光照射反應(yīng)混合物，并且通常不會發(fā)生反應(yīng)，因為大多數(shù)有機分子對這種照射是透明的。然而，可以添加有機染料和一些過渡金屬配合物來吸收光，然后通過單電子轉(zhuǎn)移（SET，例如光氧化還原催化）轉(zhuǎn)移激發(fā)態(tài)能量，氫原子轉(zhuǎn)移（HAT），質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移 (PCET)或碰撞（能量轉(zhuǎn)移、光敏化）。

由于光化學(xué)具有色選擇性，因此最大化光源的發(fā)射波長與光子吸收分子的吸收特性之間的重疊是至關(guān)重要的。通常吸收最大值（λ max)，即選擇吸收物質(zhì)顯示最大吸光度的波長，或者選擇不發(fā)生競爭性光化學(xué)誘導(dǎo)的副反應(yīng)的波長區(qū)域（所謂的色正交性）。因此，優(yōu)選具有足夠窄光譜的光源（例如 LED）以避免激發(fā)反應(yīng)混合物中的非目標官能團或組分，這可能導(dǎo)致不希望的副產(chǎn)物形成或溶劑加熱。波長選擇性光源會導(dǎo)致更具選擇性的光化學(xué)反應(yīng)。因此，所用光源的光質(zhì)量是一個關(guān)鍵的反應(yīng)設(shè)計因素，并且可能比總發(fā)射光強度更重要。具有寬發(fā)射光譜的高強度光源將大量能量浪費到與目標反應(yīng)無關(guān)的波長上。此外，由于其構(gòu)造過程中的細微差異，沒有兩個光源是相同的（即使是 LED 的顏色和強度也略有不同）。因此，使用積分球仔細校準所有光源非常重要，積分球是一種用于測量和量化光輻射強度和光譜范圍的設(shè)備。

光源的定位也是反應(yīng)器設(shè)計的一個關(guān)鍵方面。根據(jù)光的平方反比定律，光強與距離的平方成反比（圖3）。換言之，光源距離反應(yīng)器越遠，損失的光越多，反應(yīng)介質(zhì)中的強度越低。庫恩等人。已經(jīng)表明，對于微流控通道，當微通道和 LED 之間的距離在 1 到 1.5 cm 之間時，可以在反應(yīng)混合物中獲得最佳且均勻的輻照度（~90%）。LED 沿著整個通道的長度放置，LED 間的距離在 6.5 和 8 毫米之間。此外，可以通過使用鏡子或波導(dǎo)進一步聚焦光。

圖 3. 通過優(yōu)化光源-反應(yīng)器距離和使用折射鏡，最大限度地減少損失的輻射，從而最大限度地提高光子捕獲效率。(A) 光源與反應(yīng)器尺寸不匹配，部分區(qū)域未照射。這意味著光化學(xué)反應(yīng)器實際上比其總體積預(yù)期的要小。(B) 反應(yīng)器和光源的最佳定位。(C) 當光源距離反應(yīng)器太遠時，損失的輻照量會按照光的平方反比定律增加。

光化學(xué)第二定律由愛因斯坦-斯塔克光化學(xué)等效定律陳述。它規(guī)定一個光子只能激活一個分子，因此，光化學(xué)反應(yīng)可以被視為一個單量子過程。應(yīng)該注意的是僅適用于初級光化學(xué)過程。一旦光子被吸收，分子就會達到激發(fā)態(tài)，之后它可以經(jīng)歷化學(xué)變化或通過例如熒光的能量損失而回落到其原始位置。這意味著量子產(chǎn)率 (Φ) 通常小于單位 (Φ < 1)。當在光化學(xué)過程中產(chǎn)生自由基時，會引發(fā)鏈式反應(yīng)，導(dǎo)致明顯的 Φ 值遠大于 1。從能源成本的角度來看，這種光誘導(dǎo)自由基鏈過程實際上可能是有利的，因為實現(xiàn)完全轉(zhuǎn)換所需的光子更少。

當光束穿過溶液時，光子將被吸收，導(dǎo)致光強度逐漸降低。Bouguer-Lambert-Beer 定律 描述了這種消光現(xiàn)象的程度，這取決于吸收分子的摩爾衰減系數(shù)、該物質(zhì)的濃度和光路長度。因此，光化學(xué)反應(yīng)難以規(guī)?；?。較大直徑的反應(yīng)器不適合，因為在反應(yīng)器壁處觀察到最高的光強度，而反應(yīng)器的中心幾乎看不到光（圖 4）。由于反應(yīng)速率很大程度上取決于局部光強度，可以觀察到局部反應(yīng)速率的巨大變化；根據(jù)反應(yīng)器中的位置，動力學(xué)速率可以很容易地相差 2-3 個數(shù)量級。因此，尺寸較淺的反應(yīng)器在整個反應(yīng)介質(zhì)中提供相同的反應(yīng)條件，因此是規(guī)?；饣瘜W(xué)轉(zhuǎn)化的首選容器。

圖4、光催化反應(yīng)中光的衰減與距離的函數(shù)關(guān)系– Lambert-Beer 相關(guān)性

如果一個光子將一個分子轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，那么理論上應(yīng)該提供 1 mol 的光子來轉(zhuǎn)化 1 mol 的起始材料。這種見解由本生-羅斯科互易定律表達，該定律規(guī)定只有總能量劑量（即入射光量子的總數(shù)）對轉(zhuǎn)化化合物很重要。因此，光的強度乘以曝光時間應(yīng)保持恒定。

該定律還證明了其在光化學(xué)轉(zhuǎn)化縮放中的價值。所需的光子當量量（定義為吸收的光子與底物量的比率）需要在每個反應(yīng)規(guī)模下保持相等。Merck-MSD 的研究人員已經(jīng)使用這種策略成功地將光催化 C-N 交叉偶聯(lián)反應(yīng)從毫克級的批量擴展到了公斤級的流動。然而，重要的是要認識到該條款有其局限性，并且僅在沒有后續(xù)反應(yīng)的情況下才有效。如果后續(xù)反應(yīng)是可能的（例如，光化學(xué)氧化反應(yīng)），較大直徑的光化學(xué)反應(yīng)器將導(dǎo)致局部區(qū)域具有高光強度，通常在反應(yīng)器壁處。在這些區(qū)域中，與光強度較低的區(qū)域相比，形成的產(chǎn)物更有可能吸收另一個光子并轉(zhuǎn)化為（不希望的）副產(chǎn)物。

選擇正確光源的重要性

光子的能量可以從與光子相關(guān)聯(lián)的波長計算（參見表 1）。有機化學(xué)家感興趣的波長范圍限制在 200 到 1000 nm 之間，并且該限制由實際考慮確定。在紫外區(qū)，需要透明的反應(yīng)器材料，光子的能量越高，反應(yīng)器材料本身吸收的就越多。近紅外 (NIR) 區(qū)域的極限由誘導(dǎo)有機分子合成相關(guān)電子激發(fā)的能力決定。

表 1. 輻射類型、波長和頻率之間的關(guān)系

紫外線誘導(dǎo)的光化學(xué)在合成有機化學(xué)中仍然非常有用，可以直接激發(fā)有機分子。有趣的例子是 [2 + 2] 環(huán)加成在單個步驟中產(chǎn)生應(yīng)變環(huán)丁烷和 Norrish 型光反應(yīng)，允許 C-C 鍵的均裂。然而，由于與紫外線照射相關(guān)的高能量，副產(chǎn)物形成的可能性從 UV-A 增加到 UV-C。這對于密集官能化的有機分子尤其如此，例如活性藥物成分。然而，已經(jīng)開發(fā)了將低選擇性和選擇性的紫外線誘導(dǎo)光化學(xué)轉(zhuǎn)化與未反應(yīng)起始材料的再循環(huán)相結(jié)合的策略。與可見光源相比，紫外光化學(xué)的選擇相當有限。中低壓汞燈可用于 UV-A 和 UV-B 應(yīng)用。高壓水銀光源發(fā)射寬范圍的紫外線和可見光波長以及需要充分冷卻的熱量。對于這種寬波長分布的光源，可以使用特定波長的濾光片來去除任何不需要的波長這可能會導(dǎo)致副產(chǎn)品的形成，從而導(dǎo)致能源效率降低。這些問題可以通過使用在窄光譜范圍內(nèi)發(fā)光的光源來解決。在這方面，LED受到了很多關(guān)注。它們由層狀晶體半導(dǎo)體材料制成，在兩種類型的半導(dǎo)體 ap-n 結(jié)的界面處形成。在電產(chǎn)生的電子和空穴復(fù)合時，會發(fā)射光（即電致發(fā)光），并且波長取決于材料特性（因此取決于能帶隙）。單個 LED 芯片的發(fā)射光譜很窄（10-30 nm），并且由于它們的小尺寸，它們可以與化學(xué)反應(yīng)器技術(shù)完美匹配（圖 5 A 和 B）。對于 UV-B 和 UV-C 應(yīng)用，通過將 GaN 與 AlN 合金化，可以在整個光譜范圍內(nèi)調(diào)節(jié) LED 的發(fā)射。然而，這些 LED 經(jīng)常受到強度低、壽命穩(wěn)定性差和墻插效率低（WPE ～ 1-3%）的困擾，這是描述輸入功率轉(zhuǎn)換為光功率效率的衡量標準。盡管如此，由于它們在消毒行業(yè)中的應(yīng)用，許多研究都致力于開發(fā)更高性能的 LED。2020 年 SARS-COV-2 大流行導(dǎo)致 UV-C 市場從 2019 年的 1.44 億美元增加到 2020 年的 3.08 億美元。這一價值增長甚至可能更高，但由于產(chǎn)能限制而受到限制。預(yù)計2025年UV-C產(chǎn)業(yè)將進一步擴大至25億美元。因此，可以預(yù)期這些光源的質(zhì)量將大大提高，并將在不久的將來使它們可用于光化學(xué)應(yīng)用。與之形成鮮明對比的是，高質(zhì)量和高強度（高達 160 W）的 UV-A LED（>365 nm）是可用的，并且基于成熟的 GaN 和 InGaN on 藍寶石技術(shù)（圖 5 C）。UV-A-LED 非常先進，因為它使用與藍色 LED 基本相同的材料，并且由于它們在 UV 誘導(dǎo)聚合物固化行業(yè)中的廣泛使用。作為 LED 的替代品，可以使用準分子燈，其中特定的準分子分子發(fā)出強而窄的紫外光（光譜半峰全寬為 2 至 15 nm）。根據(jù)所選擇的準分子，發(fā)射波長可以從 UV-C（例如，222 nm 的 KrCl）調(diào)整到 UV-B（例如，282 nm 的 XeBr）和 UV-A（例如，351 nm 的 XeF）。

圖 5. (A) 帶有 LED 的微反應(yīng)器沿整個微通道的長度排列（由 Kuhn 等人提供）。(B) DIY 組裝的光微反應(yīng)器，包括一個 3D 打印容器，其中毛細管微反應(yīng)器被定位并與藍色 LED 燈條對齊。經(jīng)參考許可轉(zhuǎn)載 (98). 版權(quán)所有 2016 美國化學(xué)學(xué)會。(C) 高功率 365 nm LED 光源，將 48 個單獨的 LED 集成在一個封裝中，實現(xiàn) 27.5 W 的光功率。在 LED 模塊的背面，安裝了一個散熱器。(D) 綠色 LED 泵浦發(fā)光集中器的示意圖：大功率 LED 將藍色光子泵入綠色發(fā)光集中器，吸收后重新發(fā)射為綠光。通過全內(nèi)反射，光被波導(dǎo)到邊緣，在那里它以高強度光束的形式離開材料。底部：散熱片位于發(fā)光集中器的另一側(cè)，以消除產(chǎn)生的熱量（由 Signify 提供）。(E) 組裝好的綠色 LED 泵浦發(fā)光集中器模塊的圖片（由 Signify 提供）。

可見光的能量含量通常不足以裂解鍵并因此引發(fā)化學(xué)反應(yīng)。但是，可以通過添加另一個吸收輻射并隨后與其他有機分子交換能量（光敏化）、電子（光氧化還原催化）或氫原子（氫原子轉(zhuǎn)移光催化）的分子來繞過這個問題。雖然緊湊型熒光光源在學(xué)術(shù)環(huán)境中仍經(jīng)常用于可見光誘導(dǎo)的光催化反應(yīng)，但由于 LED 尺寸小、能效高和發(fā)射帶窄，因此首選使用 LED。有趣的是，它們的強度可以通過改變電流輕松調(diào)整。由于溫度升高時光強度降低和波長峰值偏移，保持 LED 的工作溫度恒定也很重要。大功率 LED 幾乎有所有顏色可供選擇，并且對于擴大光催化轉(zhuǎn)化具有重要價值。例如，高功率藍色 LED 芯片可提供高達 2 × 10 6 W·m –2 ·nm –1的峰值輻照度。相比之下，大功率綠黃色 LED (510–600 nm) 不可用；這個光譜范圍，也稱為“綠色間隙”，效率顯著下降（<50%）。這個問題可以使用黃色或綠色 LED 泵浦發(fā)光聚光器來解決，該聚光器結(jié)合了高功率藍色 LED 和綠色發(fā)光聚光器（圖 5 D 和 E）。在此，熒光棒被沿其長度定位的藍色 LED 照亮。光被熒光棒吸收并向下轉(zhuǎn)換為所需的波長。隨后，發(fā)光光通過全內(nèi)反射被波導(dǎo)到邊緣，在那里它作為聚焦光束從發(fā)光集中器中逸出。

一般來說，近紅外區(qū)域的光子不包含足夠的能量來誘導(dǎo)任何合成相關(guān)的轉(zhuǎn)換。使用上轉(zhuǎn)換策略，可以吸收兩個或多個低能光子并將其轉(zhuǎn)換為單個高能光子（反斯托克斯發(fā)射）。NIR 的主要優(yōu)點是可以通過各種介質(zhì)（包括生物組織）實現(xiàn)更高的穿透深度。這一特征可能有利于克服與 Beer-Lambert 定律相關(guān)的放大限制，并且可能對活細胞中的光催化應(yīng)用有用。近紅外光最近已被用于使用三重態(tài)-三重態(tài)湮沒上轉(zhuǎn)換策略實現(xiàn)光催化反應(yīng)。然而，為了變得實用和經(jīng)濟可行，必須克服某些限制。由于需要幾乎同時吸收兩個或更多光子，因此需要高光子通量，因此需要使用 NIR 激光器。此外，上轉(zhuǎn)換量子產(chǎn)率仍然相對較低（在脫氣有機溶劑中Φ UC ～ 5.5%）。此外，應(yīng)仔細去除氧氣，以避免三重態(tài)過早淬火，這會進一步降低 Φ UC。

從可持續(xù)性和經(jīng)濟角度來看，將太陽能用于光化學(xué)轉(zhuǎn)化非常有吸引力。然而，作為光源的太陽存在一些挑戰(zhàn)，包括太陽光的多色性、晝夜循環(huán)、由于經(jīng)過的云層而導(dǎo)致的可變光強度以及由光散射和反射引起的太陽光的漫射性質(zhì). 盡管如此，近年來取得了進展。

反應(yīng)器設(shè)計和放大

化學(xué)工業(yè)中明顯缺乏光化學(xué)轉(zhuǎn)化的主要原因之一是與其可擴展性相關(guān)的挑戰(zhàn)（即主要由衰減效應(yīng)引起）。為了小批量生產(chǎn)，大多數(shù)實驗室規(guī)模的基于流動的設(shè)置足以按需制備目標分子（克級），但工業(yè)所需的數(shù)量（公斤級到噸級）要求更穩(wěn)健和可靠放大過程。這不僅適用于光化學(xué)應(yīng)用，而且在一般的連續(xù)微流和微流化學(xué)中也是一個備受爭議的話題。簡單地擴大流動反應(yīng)器設(shè)計以提高生產(chǎn)率可能是最直接的方法，特別是對于管式或毛細管反應(yīng)器，其中反應(yīng)器體積可以通過三種主要策略來擴大：數(shù)量增加，通過增加通道長度來確定尺寸，并通過增加通道直徑來確定尺寸（圖 6）。

圖 6. 管式流動反應(yīng)器的放大策略：編號、通過增加通道長度來擴大規(guī)模、通過增加通道直徑來擴大規(guī)模?？梢允褂媒o定的公式計算管式反應(yīng)器的體積。

編號策略可以分為兩種概念上不同的方法：外部編號和內(nèi)部編號。外部編號可以通過將完全相同的設(shè)置并行增加來提高整體設(shè)置效率。這樣，可以添加額外的單元，直到整個系統(tǒng)被縮放以產(chǎn)生所需的目標數(shù)量。這種方法的一個主要缺點是當需要大量產(chǎn)品時明顯的高投資成本，其中每個設(shè)置都需要單獨的設(shè)備（例如，泵、質(zhì)量流量控制器）。內(nèi)部編號可以通過并行化提供相同的擴展原理，但一個顯著的區(qū)別是在這種情況下，一些設(shè)備在實例之間共享。在內(nèi)部編號策略中，反應(yīng)堆本身可以成倍增加，同時仍然使用單一的喂養(yǎng)、收集和監(jiān)控部分。然而，需要注意確保不同反應(yīng)器上的流量分布相等，因為壓降的微小差異會導(dǎo)致流量分布不均，這在多相反應(yīng)中尤其具有挑戰(zhàn)性，例如以氣體為反應(yīng)物的氣液反應(yīng)。

縮放流動光化學(xué)的主要缺點之一是對輻照體積的影響。對于微米（在某種程度上，毫）范圍內(nèi)的尺度，照射體積可以實現(xiàn)均勻的光子通量和受控的照射時間。保持直徑盡可能小，然后使反應(yīng)器整個橫截面上的光子通量最大化。通過增加反應(yīng)器的長度來確定尺寸具有表面積與體積比保持恒定的優(yōu)點，但具有沿反應(yīng)器通道增加的壓降的缺點。另一方面，由于布格-朗伯-比爾定律，簡單地通過增加通道或容器直徑來確定這些反應(yīng)器設(shè)計的大小可能會帶來問題。由于光在較大尺寸處的衰減導(dǎo)致的不均勻照射會導(dǎo)致過度照射（在反應(yīng)器壁處）、較慢的整體反應(yīng)動力學(xué)和不希望的副產(chǎn)物形成。這種確定尺寸的策略也會影響整個系統(tǒng)的流動特性和傳熱特性。為了確定策略，可能需要重新優(yōu)化過程，因為流動特性發(fā)生了變化，因此傳質(zhì)行為也發(fā)生了變化。

然而，光化學(xué)反應(yīng)器的放大并不限于使用管狀/毛細管反應(yīng)器。在過去的十年中，已經(jīng)提出了各種各樣的反應(yīng)器設(shè)計（例如，降膜反應(yīng)器、渦流反應(yīng)器、膜反應(yīng)器），它們都利用了過程強化概念。過程強化旨在將質(zhì)量、熱量和光子傳輸現(xiàn)象強化至少 2-3 個數(shù)量級，從而顯著減少反應(yīng)器體積。

高通量實驗

高通量實驗 (HTE) 是現(xiàn)代藥物開發(fā)和合成方法學(xué)工作流程的重要工具。隨著每年尋找新藥變得越來越困難，篩選不斷增長的分子庫的新方法對于發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)和優(yōu)化先導(dǎo)都變得至關(guān)重要。雖然 HTE 傳統(tǒng)上仍處于行業(yè)范圍內(nèi)，但越來越多地在學(xué)術(shù)環(huán)境中實施。HTE 工作流程范圍從每天以納摩爾級篩選數(shù)千個反應(yīng)的先進機器人系統(tǒng)到簡單的并行化技術(shù)。這種技術(shù)越來越多地與機器學(xué)習(xí)和人工智能相結(jié)合，以在廣泛的化學(xué)空間中提取大量數(shù)據(jù)。長期以來，實驗室自動化一直是化工行業(yè)提高生產(chǎn)力、重現(xiàn)性和安全性的目標。

諸如流動光化學(xué)之類的使能技術(shù)被用于以有效的方式篩選反應(yīng)。這些使能技術(shù)允許將閉環(huán)化學(xué)平臺與算法相結(jié)合，以產(chǎn)生自我優(yōu)化的反應(yīng)平臺。這些方法已應(yīng)用于化學(xué)、材料開發(fā)、聚合物，和催化。在這里，我們旨在概述這些技術(shù)如何用于推進已知的光化學(xué)空間。

基于流程的自動化平臺

Edwards 等人開發(fā)了一個多功能的模塊化光反應(yīng)器平臺。能夠進行高通量實驗、批量反應(yīng)和連續(xù)處理，稱為光化學(xué) LED 照明器 (PHIL)（圖 46）。該平臺具有調(diào)節(jié)波長、光強度和非常精確的溫度控制的能力，可以處理廣泛的光化學(xué)轉(zhuǎn)化。HTE 模塊能夠在 6 個波長（365–525 nm）范圍內(nèi)同時篩選多達 48 個反應(yīng)。首先，使用羅丹明-6G 作為吡咯與溴噻吩偶聯(lián)的光催化劑，在 HTE 平臺上進行光化學(xué)測光。令人驚訝的是，反應(yīng)結(jié)果與所施加的波長和光催化劑的存在無關(guān)，這表明正在發(fā)生 C-Br 鍵的均裂。接下來，分析了馬來酰亞胺與炔烴的分子內(nèi) [2 + 2] 環(huán)加成反應(yīng)。事實證明，反應(yīng)在所有測試波長下都很緩慢，因此添加二苯甲酮 (10 mol%) 導(dǎo)致觀察到的反應(yīng)速率大幅增加，反應(yīng)在 10 分鐘內(nèi)完成。除此之外，還研究了許多其他反應(yīng)，包括分子內(nèi) [2 + 2] 環(huán)加成、與 [1.1.1]-propellane 的 Norrish 1 型反應(yīng)、乙苯的生物催化羥基化和芳基碘化物的交叉偶聯(lián)。

圖 46.光化學(xué) LED 照明器 (PHIL)，帶有用于高通量實驗和批量和流動化學(xué)的模塊，用于篩選和放大各種光化學(xué)反應(yīng)。

Bourne 等人開發(fā)了光化學(xué)級聯(lián) CSTR 平臺 (Fractor)。用于多相和傳質(zhì)受限光化學(xué)反應(yīng)的自動優(yōu)化（圖 47）。由于持續(xù)攪拌，反應(yīng)器不易堵塞和結(jié)垢。首先，為了更好地了解 Freactor，使用 365 nm 光通過將鄰硝基苯甲醛 (NBA)光化學(xué)轉(zhuǎn)化為鄰硝基苯甲酸進行化學(xué)測光。發(fā)現(xiàn)獲得的光子通量比文獻中的批處理系統(tǒng)高 10 倍。接下來，使用混合算法對以二苯甲酮為催化劑的四氫化萘有氧氧化進行自動化反應(yīng)優(yōu)化?；旌纤惴ㄓ扇N不同算法的耦合組成（SNOBFIT 全局優(yōu)化、替代高斯過程建模和中心復(fù)合面心 (CCF) 設(shè)計篩選）。反應(yīng)器總共運行了 36 小時，進行了 61 次實驗（38 次 SNOBFIT、12 次高斯篩選和 11 次 CCF 實驗）。四氫萘酮的總產(chǎn)率為 65%，停留時間為 18.3 分鐘，氧當量為 4.69。

圖 47. 用于自動優(yōu)化多相和傳質(zhì)受限光化學(xué)反應(yīng)的光化學(xué)級聯(lián) CSTR 平臺（反應(yīng)器）。

No?l 等人開發(fā)了一個用于熒光猝滅研究和 Stern-Volmer 分析的完全自主的連續(xù)流動平臺。使用基于 Python 的代碼和在線紫外-可見光譜。自動化和流程的使用具有許多明確的好處，例如提高一致性、準確性和可重復(fù)性。手動執(zhí)行此反應(yīng)的重復(fù)性任務(wù)可能導(dǎo)致重現(xiàn)性問題，主要與氧氣干擾和人為錯誤有關(guān)。該系統(tǒng)使用少量樣品，這在篩選昂貴的催化劑時特別有用。為了測試該系統(tǒng)，進行了兩個基準反應(yīng)：α,β-不飽和羧酸的光催化脫羧和含N雜芳烴與N- (酰氧基)鄰苯二甲酰亞胺的光催化脫羧烷基化?？傮w而言，與手動和生成的數(shù)據(jù)相比，該系統(tǒng)可在 15 分鐘內(nèi)獲得更好、更可重復(fù)的結(jié)果以供分析。

Buglioni, L., Raymenants, F., Slattery, A., Zondag, S. D. A., & No?l, T. (2021). Technological innovations in photochemistry for organic synthesis: Flow chemistry, high-throughput experimentation, scale-up, and photoelectrochemistry. Chemical Reviews. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00332