液液反應是一類重要的化學反應。增加傳質通量和改善反應后的分離問題一直是科學家們致力于解決的兩大難點。人們通常在反應體系中加入相轉移催化劑配合機械攪拌來實現(xiàn)這一功能，但新組分的引入增加了分離難度并且可能對反應體系造成干擾。因此，在不添加額外組分的條件下，僅通過反應器結構實現(xiàn)傳質強化和改善分離的目的仍然是一項挑戰(zhàn)。
 

　　近日，大連理工大學陶勝洋教授團隊受合胞體的多細胞核結構以及細胞膜的水-油-水界面啟發(fā)，設計了一種細胞反應器。該細胞反應器可以視為由多個細胞單元簡單堆積形成。這種堆積結構強化了功能，并提供了更高的機械強度。不同的細胞單元具有不同的桁架結構，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計細胞反應器的基本原理。固液粘附力與液體重力的平衡決定了細胞能否持有液體(力分析)。從表界面能量角度分析，得出了細胞反應器的持液條件(能量分析)。由此搭建了設計細胞反應器理論基礎，并為后續(xù)研究人員設計細胞反應器提供了指導。使用細胞反應器進行了一系列液液反應，包括醇與 3,4-2H-二氫吡喃的加成反應，苯甲醛和丙二腈的 Knoevenagel 縮合反應，巰基化合物的偶聯(lián)反應以及硫醚氧化成砜的反應。絕大多數(shù)反應都取得了95%以上的產(chǎn)率。并且在反應結束后，僅需要將細胞反應器從燒瓶中向上提拉取出，無需其他操作即可實現(xiàn)水油兩相的分離。
 

　　相關研究成果發(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。大連理工大學為唯一完成單位。
 

　　陶勝洋教授團隊致力交叉學科研究，將數(shù)字化研究工具與化學反應相結合，廣泛使用計算流體力學、計算化學、機器學習、折紙幾何學、3D CAD設計、3D打印、激光加工、自動控制等方法解決化合物在分子設計、合成、傳遞、聚集和放大生產(chǎn)中的科學與技術問題，已在微流體與連續(xù)流反應、多相反應器設計、全自動機器人化學家等方面進行了基礎研究和工程技術應用。
 

圖1：反應器設計的基本原理
 

圖2：不同細胞單元的力學特征和持液特征
 

圖3細胞反應器的工作原則
 

　　以上研究項目得到了國家自然科學基金、精細化工國家重點實驗室、教育部智能材料化工前沿科學中心以及大連市智能化學重點實驗室的支持。