欧世盛流动化学产品应用案例：过程强化的恶喹酸多步连续流合成

近期发表于《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》的文献《Safety-Enhanced Multistep Flow Synthesis of Oxolinic Acid with Process Intensification》,对多步连续合成工艺进行了研究，构建了恶喹酸六步连续流合成平台，通过超声辅助、微填充床反应、无溶剂策略的协同应用，解决了传统工艺中堵塞、安全隐患、溶剂不相容等问题。欧世盛为该研究提供了设备支持：HP型注射泵、DP型柱塞泵、EMC-1单通道催化剂评价装置和TH型高压氢气发生器，助力多步连续流合成工艺开发。

欧世盛流动化学产品

01

HP系列注射泵

❐ 全球首创大流量、高耐压、耐腐蚀双注射高压恒流输液泵

❐ 双注射泵交替运行，适用于常规液体、高粘性液体的连续输送

❐ 独创高压切换阀，解决了单一阀体无法同时满足耐压、高通量、耐腐蚀问题

❐ 动态压力补偿技术，通过实时监测系统压力，在双泵交替换相点，提前做预压缩补偿，保障输液泵连续无脉动供液

02

DP系列柱塞泵

❐ 316L、C276、PTFE等多种泵材料可选，满足输送不同原料需要

❐ 0.001-1000 mL/min 流量范围可选，满足所需最佳流量区间

❐ 开放式控制平台，提供 RS485、RS232 等多种通信接口

❐ 恒流模式或恒压模式可任意切换

03

单通道催化剂评价装置

❐ 系统平衡时间快，微反应气液混合器提高气液混合效率

❐ 全流程温度分区管理，温度控制更加精准

❐ 自动液面检测，容差液位传感器，死体积小于1mL

❐ 精确控制压力和液面，高精度稳流阀

❐ 直接取样口，实现零滞后快速取样

❐ 高通量评价，标准版可同时进行两个样品的并行或连续反应；升级版可根据需要外扩多个并行或连续反应

04

氢气发生器

❐ 电解水制氢，随用随产，氢气纯度达到99.999%，plus型号可达9.9MPa

❐ 7MPa工作压力，取代实验室高压氢气钢瓶

❐ 三重压力安全保护措施，确保高压氢气发生器运行绝对安全

❐ 根据使用需要，可设置压力上限值，延长电解池使用寿命

❐ 干燥剂寿命提醒，避免由于干燥剂失效，导致水汽流入后续系统

❐ 非接触式高灵敏度液位检测，实现缺水报警，避免水位低导致电解池损坏

❐ 内置高灵敏度氢气传感器，若氢气泄露，软件提示并蜂鸣报警

导图

实验方法

设备配置

流动实验装置为研究中的核心装置。其中进料系统主要包括注射泵（如欧世盛 HP-3/HP-10）、柱塞泵（欧世盛 DP-3），确保进料精准控制；连续流反应器主要包括PFA 盘管反应器、不锈钢管反应器、单通道催化剂评价装置（欧世盛EMC-1）及高压氢气发生器（欧世盛TH-7300H）。其他设备还包括超声发生器与超声清洗器，以及过程控制单元如背压阀、油浴锅等，以满足不同的反应需求与过程控制。

反应路径

步骤 1（硝化）：在超声辅助条件下，以水作为溶剂，通过PFA盘管反应器进行1,3-苯并二噁茂（化合物2）硝化反应，生成 1,2 - 亚甲二氧基 - 4 - 硝基苯（化合物 3）。控制温度、停留时间和物料流量等参数。通过冷却、过滤、洗涤和干燥等步骤分离目标产物。最后，通过回收硝酸，实现资源重复利用。

步骤 2-3（还原-还原胺化）：所涉反应在装填Pt/C催化剂的微填充床反应器中进行，控制流速、温度和压力等条件。将冷却后的化合物3和乙醛的乙腈溶液泵入反应器进行反应。经萃取、水洗、盐水洗、干燥和减压浓缩后，通过柱色谱纯化得到N-乙基-1,3-苯并二噁茂-5-胺（化合物4）。

步骤 4-6（偶联 - 环化 - 酯水解串联）：将不锈钢管浸入油浴中并设定压力，先将化合物4和EMME泵入管中反应，随后加入乙酸酐和硫酸，充分混合。之后，将混合物转移至浸入油浴的二级PFA盘管中继续反应，维持一定压力。最后收集流出液，经稀释、搅拌沉淀、过滤、洗涤和干燥后得到恶喹酸（化合物1）。

六步集成连续合成流程：在优化条件下，化合物3的合成系统连续运行一段时间后，收集反应混合物并冷却诱导沉淀，过滤分离得到黄色固体化合物3，用水洗涤至滤液pH值达到中性。将化合物3与乙醛溶解于乙腈中，按照化合物4的合成方案处理，系统稳定运行较长时间后，收集流出液并减压浓缩得到化合物4。随后，将浓缩的化合物4与EMME一起引入不锈钢盘管中，维持一定的停留时间和压力。启动另外两个泵输送乙酸酐和硫酸，合并的反应物流充分混合。使用另一个泵将混合物转移至浸入高温油浴的二级PFA盘管中，维持一定压力。连续运行一段时间后，收集流出液并稀释，搅拌使产物沉淀析出。过滤分离所得固体，用水和乙醇洗涤，最后在一定温度下干燥，得到最终产物化合物1。

条件参数

步骤1中，水浴温度55-60°C，停留时间6分钟，22%硝酸溶液（4.1当量，10mL/min）和化合物2（1当量，1mL/min）为进料物流，超声发生器频率40kHz，水为溶剂，PFA盘管反应器。

步骤2-3中，装填5% Pt/C催化剂1.7g，设定液体流速0.5 mL/min、氢气流速10 mL/min、温度40°C、背压0.7 MPa。化合物 3（3.5g，20.9mmol，1 当量）和乙醛（1.4g，31.4mmol，1.5 当量）的乙腈溶液（350mL）为进料物流。

步骤4-6中，不锈钢管浸入在130°C油浴中，压力1.1MPa，泵1和泵2输送化合物4（1 当量，0.24mL/min）和 EMME（1.1 当量，0.37mL/min），停留时间14min。泵3和泵4输送乙酸酐（1.8 当量，0.287mL/min）和硫酸（0.93 当量，0.085mL/min）。泵5将混合物流转移至150°C油浴中的PFA管，压力0.8MPa，停留时间5min。水稀释，100°C下搅拌6小时。

实验结果

各步骤系统优化

步骤1的硝化反应中，超声发生器（40kHz）辅助下，在 55°C、停留时间 6min 条件下优化后，转化率达 100%，产物（化合物 3）收率从 57% 提升至 95%。步骤2-3的还原-胺化反应中，使用铂碳催化剂（Pt/C）表现最优，目标产物（化合物 4） 收率 87%，并有效抑制二烷基化副产物。步骤4-6的偶联-环化-酯水解反应中，C-N 偶联的无溶剂连续流方案（步骤 4）收率 97%，三步串联总收率 88%，优化后反应温度与停留时间大幅缩短，如环化从 120°C/20min 优化至 150°C/5min。

六步串联合成

实验开发的六步串联合成工艺成功实现无中间体纯化的连续合成，从起始原料（化合物2）到最终产物恶喹酸的总收率达 65%，流程简化程度显著优于传统分批工艺，且显著减少了溶剂消耗。

与分批工艺相比，流动工艺优势明显。过程质量强度（PMI）在步骤 1 中从 4.75 降至 3.40，步骤 2-3 从 3.70 降至 2.28，步骤 4-6 从 10.9 降至 9.47。反应总时间大幅缩短，如步骤 2-3 从 12h 降至约 1.4min；反应温度整体降低，如硝化从 90°C 降至 55°C。此外，溶剂可回收复用，废水与危废排放减少。

研究结论

该研究开发了恶喹酸的连续流合成方法，显著提升了工艺的安全性、效率和可持续性。通过整合超声辅助微流实现安全水相硝化、利用微填充床反应器实现硝基还原与还原胺化串联反应、采用无溶剂策略实现偶联-环化-水解反应，该方案解决了固体沉淀、多项安全隐患和溶剂不相容等关键挑战。从起始原料 2 到恶喹酸（化合物 1）的整个六步合成无需中间体纯化，最终产物总收率达 65%。与分批反应相比，该连续流工艺的过程质量强度（PMI）更低，同时大幅降低了热失控、易燃性和腐蚀性相关的危害。该研究凸显了将反应活性调控与流动过程强化相结合的潜力，可为多步药物生产提供更安全、更绿色的解决方案。

研究亮点及意义

该研究针对多步合成中不同环节面临的问题，设计灵活的解决方案，包括超声辅助、微反应氢化、无溶剂策略，解决了多步连续合成中固体沉淀、安全隐患和溶剂不相容等关键挑战，实现高危反应的本质安全。

丰富了流动化学在多步复杂合成中的应用案例，为喹诺酮类药物及类似复杂药物的连续生产提供了可参考的工艺模式，也为高危反应的过程强化与绿色改造提供了新思路。

主要图表

Figure 1. 恶喹酸分批合成与连续流合成的对比

Figure 3. 无需中间体纯化的六步合成方案

Table 4. 连续流合成与分批合成的绿色化学指标对比

Supplementary Table 1. 研究用的流动设备（部分）

Supplementary Figure 2. OSS泵控制系统用户界面

Supplementary Figure 3. EMC管理软件用户界面

Supplementary Figure 4. 硝化超声集成流动装置

Supplementary Figure 5. 硝基还原反应的流动装置

Supplementary Figure 6. 还原胺化反应的流动装置

Supplementary Figure 7. 硝基还原/还原胺化装置

Supplementary Figure 8. 恶喹酸合成的流动装置

参考文献

DOI：10.1021/acssuschemeng.5c10013