连续流动化学技术使电化学变得容易

尽管电化学为合成有机化学家提供了巨大的好处，但它很少用于现代实验室，因为缺乏使非电化学家能够以“方便”的方式进行这种化学反应的合适设备。因此，化学家需要一种更简单、更用户友好的方式来访问该技术，使其成为更广泛接受的常规程序。

过去，电化学技术依赖于玻璃反应器中的电解，这导致反应控制性、选择性和重现性较差，反应速度较慢。尽管这些系统设置起来很简单，但由于已经提到的原因，人们在实施它们时犹豫不决。

到目前为止，连续流动电化学电池的突破已经允许选择性合成具有高反应物到产物的转化率，通常只需要一次通过设备。这些设备使电化学方法更容易获得，从而重新评估该技术作为一种可行且有吸引力的合成方法。

1、有机电合成的基本原理

在有机电化学反应过程中，通过在电极表面添加或去除电子来激活有机分子，这是一个非均相过程。电合成反应需要与电解质溶液接触的两个电极（阳极和阴极）。电解质是一种盐，可将离子添加到溶液中以增加其导电性。

电化学可以通过多种方式完成，包括恒电位模式（控制电极两端的电压）和恒电流模式（控制电极两端的电流）。

在创建电合成方法时可以分析许多变量：

· 电极的性质

· 施加的电压/电流

· 化学反应是在阳极还是阴极进行

· 电极是简单地位于电解池的任一侧还是分开（例如通过离子渗透膜）

2、有机电合成的优点

· 施加到工作电极的电位可用于控制反应选择性。因此，可以选择一个具有相似结构的电泳而不是另一个。与氧化还原试剂不同，电位可以随时改变

· 通过调节电流密度或施加的电位，可以控制反应速率

· 与经典有机化学类似，可以通过管理提供的电子数量来控制分子的转化程度（关于其氧化态）

· 电极的性质和电解液的组成可作为反应参数来控制选择性和反应速率

· 可以预测电合成实验条件和途径

· 由于电解是在室温和大气压下进行的，反应条件通常是温和的

3、电化学作为“绿色”应用

由于我们的反应是通过添加或提取电子来进行的，因此很容易认为我们的反应将是 REDOX – 还原或氧化。电化学可以被认为是一种“更环保”的技术，因为它不需要危险和污染的还原剂或氧化剂，例如 OsO 4、Pb(OAc) 4、NaH 等。

由于我们的化学反应是由电子介导的，因此我们经常在室温下进行，从而降低能耗。我们还可以将我们的电极视为多相催化剂，从而减少反应设置过程中的浪费。此外，离子液体常用于替代易于回收的有机溶剂。

由于连续流动电化学电池的发展，可以使用这种更环保的方法并进行独特的转化，这允许其他技术无法实现的选择性和转化。

4、流动中的连续电化学

“烧杯电解池”用于传统的电化学方法。通常，电化学文献中没有正确描述该装置的确切描述。虽然提供了电极材料，但几何形状、定位和尺寸不会对重现实验造成任何挑战。连续流动电化学设备的发展通过限制电极材料和合成过程的变量解决了重现实验程序的许多问题。

电化学是一种表面现象，需要较大的表面积与体积比。如果我们一般熟悉流动化学，我们就会熟悉这个。与类似体积的间歇式反应器相比，流动反应器具有较大的表面积与体积比。设计一个相对于电极具有高表面积体积比的流动电化学反应器并不是一项艰巨的任务。

在使用传统电化学技术时要记住的一件事是，电极之间的距离比它们的流动等效距离更大。由于电极之间的距离很大，因此无法控制在电极之间通过的电荷会导致“电子梯度”。下图通过简单的氧化说明了这一点。我们反应中的一系列电子会导致选择性损失。

在流动电化学电池中，电极之间的距离从根本上减小。我们可以准确地控制反应中的电子当量，从而通过减少电极之间的距离来提高选择性。

大多数连续流动电化学电池基于平行板设置，其中一对电极板通过一个垫圈隔开一小段距离，从而形成一个流动通道。

在反应混合物之间通过的电子当量数由电极的性质和施加在电极上的电流或电压调节。

这种电子流可以被认为是试剂。施加在电极上以产生确切数量的电子当量的电位由反应混合物的流速和浓度决定。这为我们提供了更好的试剂和选择性控制。

通过减少电极之间的间隙，可以减少或消除我们反应中对电解质的需求，从而增加它们的“绿色”电位。

当我们使用这些连续电化学技术时，可以实现高达每小时几克的反应吞吐量。因为电化学是表面相关的，增加电极的尺寸可能会增加更多。

5、药物代谢物的制备微流体电合成

连续电化学文献的例子通过简单的文献搜索将为您提供阅读的内容。我们要强调的药物代谢物的直接合成是电合成的一个例子，它在制药领域越来越受欢迎。

在制药行业，了解药物如何代谢以及它们如何在体内相互作用至关重要。在进入下一个开发阶段之前，需要彻底了解候选药物的代谢物。

药物分子在肝脏中通过 CYP450 催化的氧化在体内进行第一次化学转化。肝脏首过氧化的化学结果是任何药物开发过程的关键信息。然而，这通常会导致需要阐明和重新合成大量代谢物。

在药物发现过程中，需要化学家合成目标化合物。许多合成需要几个反应步骤和纯化。如果化学家有幸获得一种先导化合物，则毒性研究对于进一步开发先导化合物至关重要。这导致了许多本身需要研究的药物代谢物。之后，化学家必须返回实验室重新合成这些代谢物，有时使用不同的方法，既费时又费钱。

Sanford-Burnham 医学研究所的研究人员在努力复制这些肝脏氧化过程中，率先表明连续电化学可用于模拟 CYP450 氧化并一步合成氧化药物代谢物。这对整个药物发现过程有着巨大的影响。

下图说明了使用简单的电化学流通池和氧化途径在产生氧化性药物代谢物时。

在研究中，许多商业药物暴露于连续流动电解。它们是根据它们的各种化学反应性进行选择的：它们的体内代谢物是通过芳香羟基化、烷基氧化、谷胱甘肽结合或磺化氧化产生的。化学家继续证明他们的代谢物可以通过流动电解合成，产量为 10 至 100 毫克/小时，足以进行进一步研究。

重要的是要强调对反应中电子当量的精确控制。下面的例子显示了双氯芬酸的选择性氧化 ，这是研究中的一种。通过控制电子通量，我们展示了将起始材料转化为其氧化产物的优化过程。

6、连续流动电化学的未来

对于合成有机化学家来说，连续流动电化学方法的发展正在扩大他们的工具箱。由于简单的反应设置，使用这种合成技术的障碍已大大降低。通过精确控制反应参数，流动电化学有可能实现比传统技术更高的选择性和生产率。结合更环保的方法，连续流动电化学为现代化学提供了令人兴奋的前景。

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