液液反應(yīng)是一類重要的化學(xué)反應(yīng)。增加傳質(zhì)通量和改善反應(yīng)后的分離問題一直是科學(xué)家們致力于解決的兩大難點(diǎn)。人們通常在反應(yīng)體系中加入相轉(zhuǎn)移催化劑配合機(jī)械攪拌來實(shí)現(xiàn)這一功能，但新組分的引入增加了分離難度并且可能對(duì)反應(yīng)體系造成干擾。因此，在不添加額外組分的條件下，僅通過反應(yīng)器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)強(qiáng)化和改善分離的目的仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。
 

　　近日，大連理工大學(xué)陶勝洋教授團(tuán)隊(duì)受合胞體的多細(xì)胞核結(jié)構(gòu)以及細(xì)胞膜的水-油-水界面啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種細(xì)胞反應(yīng)器。該細(xì)胞反應(yīng)器可以視為由多個(gè)細(xì)胞單元簡(jiǎn)單堆積形成。這種堆積結(jié)構(gòu)強(qiáng)化了功能，并提供了更高的機(jī)械強(qiáng)度。不同的細(xì)胞單元具有不同的桁架結(jié)構(gòu)，因此帶來不同固-液和液-液接觸特征。從力分析和能量分析兩方面研究了設(shè)計(jì)細(xì)胞反應(yīng)器的基本原理。固液粘附力與液體重力的平衡決定了細(xì)胞能否持有液體(力分析)。從表界面能量角度分析，得出了細(xì)胞反應(yīng)器的持液條件(能量分析)。由此搭建了設(shè)計(jì)細(xì)胞反應(yīng)器理論基礎(chǔ)，并為后續(xù)研究人員設(shè)計(jì)細(xì)胞反應(yīng)器提供了指導(dǎo)。使用細(xì)胞反應(yīng)器進(jìn)行了一系列液液反應(yīng)，包括醇與 3,4-2H-二氫吡喃的加成反應(yīng)，苯甲醛和丙二腈的 Knoevenagel 縮合反應(yīng)，巰基化合物的偶聯(lián)反應(yīng)以及硫醚氧化成砜的反應(yīng)。絕大多數(shù)反應(yīng)都取得了95%以上的產(chǎn)率。并且在反應(yīng)結(jié)束后，僅需要將細(xì)胞反應(yīng)器從燒瓶中向上提拉取出，無需其他操作即可實(shí)現(xiàn)水油兩相的分離。
 

　　相關(guān)研究成果發(fā)表于國際著名期刊《自然·通訊》(Nature  Communications)上，文章題目為“Liquid-Liquid Reactions Performed by Cellular Reactors”。博士生曹金哲為論文第一作者，陶勝洋教授為唯一通訊作者。大連理工大學(xué)為唯一完成單位。
 

　　陶勝洋教授團(tuán)隊(duì)致力交叉學(xué)科研究，將數(shù)字化研究工具與化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合，廣泛使用計(jì)算流體力學(xué)、計(jì)算化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)、折紙幾何學(xué)、3D CAD設(shè)計(jì)、3D打印、激光加工、自動(dòng)控制等方法解決化合物在分子設(shè)計(jì)、合成、傳遞、聚集和放大生產(chǎn)中的科學(xué)與技術(shù)問題，已在微流體與連續(xù)流反應(yīng)、多相反應(yīng)器設(shè)計(jì)、全自動(dòng)機(jī)器人化學(xué)家等方面進(jìn)行了基礎(chǔ)研究和工程技術(shù)應(yīng)用。
 

圖1：反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本原理
 

圖2：不同細(xì)胞單元的力學(xué)特征和持液特征
 

圖3細(xì)胞反應(yīng)器的工作原則
 

　　以上研究項(xiàng)目得到了國家自然科學(xué)基金、精細(xì)化工國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、教育部智能材料化工前沿科學(xué)中心以及大連市智能化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。