近日，清华大学深圳国际研究生院马少华副教授团队在Chemical Engeering Journal上发表了题为“Membrane reactors accelerate polymer photosensitizer-based singlet oxygen reactions”的研究论文(DOI: 10.1016/j.cej.2021.134444)。
基于对单线态氧的反应理解，研究人员设计了一种适用于聚合物光敏剂的绿色可循环膜反应器, 可将单线态氧的量子产率与反应效率提升10-100倍。该膜反应器以尼龙多孔膜为基底,上附聚合物光敏剂分子薄膜，包括单层膜反应器和双层膜反应器，其中双层膜反应器内衬聚四氟乙烯膜以隔绝有机反应溶剂与光敏剂的物理接触。
绿色可循环膜反应器示意图 | 参考文献[1]膜反应器不仅可以更大面积与氧气接触，而且材料的表面具有多孔结构，允许气体的自由透过，可循环利用数十次以上，适用于多种水相和有机相反应。膜反应器通过提高聚合物光敏剂与氧气的接触面积从而大幅提升单线态氧产率，同时缩短单线态氧与反应底物距离从而大幅提高单线态氧与反应底物的碰撞几率，提高反应效率。
根据反应所使用的溶剂（质子性溶剂或非质子性溶剂），他们设计出两种膜反应器，包括单层膜反应器和双层膜反应器。
单层膜反应器是由一层尼龙基底与一层聚合物光敏剂薄膜组成，该反应器适用于使用质子性溶剂作为溶剂的化学反应，可提升单线态氧参与的反应效率近80倍。
单层膜反应器 | 参考文献[1]双层膜反应器是由尼龙、聚合物光敏剂薄膜和聚四氟乙烯薄膜构成，构建该反应器的目的是为了提高膜反应器对于有机溶剂的适用性。聚四氟乙烯薄膜可以有效的隔绝溶剂的穿透，从而保护聚合物光敏剂膜不受到腐蚀。而且还允许氧气和光的透过，从而不会限制单线态氧的反应效率，使用双层膜反应器可提升直接芳基化反应达到10倍，并提高聚合反应的聚合度。
双层膜反应器 | 参考文献[1]该项工作通过构建膜反应器提高聚合物光敏剂与氧气的接触面积从而提高单线态氧量子产率，通过将反应液涂覆在膜反应器上从而增加单线态氧与反应底物的碰撞概率从而提高反应效率，实现单线态氧反应效率的大幅提升。
综上所述，膜反应器用于单线态反应具有转化率高、产率高、反应时间短、生产效率高、使用方便、无需专用实验室设施等优点，且膜反应器可重复利用并维持反应效率不衰减，具有绿色反应的特点。所以他们设想以膜反应器为基础的反应系统可以显著扩大单线态氧反应在化学、制药和环境工程中的应用。
清华大学化学博士庞鑫龙为该论文第一作者，清华大学深圳国际研究生院马少华副教授为该论文通讯作者。以上工作得到了国家自然科学基金、中国博士后基金、广东省自然科学基金、深圳市科技创新委员会和深圳湾实验室基金的支持。
本文经授权转载自高分子科技，如需转载请联系原账号邮箱：info@polymer.cn
参考文献
[1] Xinlong Pang, Haoran Zhao, Yuanxiong Cao, et al.,2022.? Membrane reactors accelerate polymer photosensitizer-based singlet oxygen reactions, Chemical Engineering Journal, 433:?134444.
