《Catalysis Today》：Application of hollow silica spheres with radially oriented mesopores to microreactors for two-phase reactions heated by microwave irradiation
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空心二氧化硅微球作为微反应器用于两相 aldol缩合反应，其径向孔结构缩短分子扩散距离，提高反应速率。封装2M硫酸催化剂的空心微球与庚烷丁醛溶液混合后，微波选择性加热水相催化剂，使反应速率高于传统乳液体系及常规加热条件。研究证实空心微球通过增大两相接触界面和选择性微波加热机制，实现高效可控的有机合成反应。
冈本雅司|上田宏明|坪木俊太郎|和田雄二
庆应义塾大学自然科学研究与教育中心，日本神奈川县横滨市港北区日吉4-1-1，邮编223-8521
摘要
具有径向排列介孔的中空二氧化硅球被用作丁醛醛醇缩合两相反应的微反应器。这些中空球内部填充了硫酸作为催化剂（作为水相），然后加入到丁醛的庚烷溶液中（作为有机相），并在95oC下加热。与不使用中空球的乳液两相反应相比，该反应速率更高，因为乳液中的液滴比中空球本身更大。当使用微波加热时，反应速率比在相同温度下使用传统加热方法时更高。由于水能有效吸收微波，只有中空球内的水相被选择性加热，而庚烷则不能。
引言
有序介孔二氧化硅材料（如MCM-41和SBA-15）被用作催化剂载体和吸附剂，因为它们具有高表面积和可控制孔径大小的介孔。此外，二氧化硅通常具有化学惰性。控制介孔二氧化硅的形状和结构可以增强其功能或提供新的功能。例如，许多研究小组已经报道了具有中空结构的介孔二氧化硅样品[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。由于中空材料能够储存物质，因此也被用作药物载体和微反应器。Nguyen等人[6]报道了合成具有较大介孔的中空二氧化硅，用于封装分子量较大的模型药物Rose Bengal。他们使用大孔径的中空介孔二氧化硅实现了较高的药物装载量和疗效。Iqbal等人[8]发现，疏水性药物的吸附取决于表面是否经过烷基链修饰。虽然提高疏水性有助于增强药物吸附，但也增加了药物在溶液中的释放速率。为了解决这个问题，Iqbal等人在中空介孔二氧化硅表面涂覆了pH敏感的脂质层以降低释放速率。对于人类治疗，已有报道指出抗癌药物、类病毒颗粒疫苗以及针对肾癌和肝癌的分子靶向药物成功地被封装在这些中空材料中，这主要归功于二氧化硅的低毒性。我们之前报道了合成具有径向排列介孔的单分散二氧化硅球[5]，并展示了通过气相实现药物的控制释放。当这些中空球用于储存大分子9-苯蒽时，苯蒽蒸汽以恒定速率缓慢释放。这一结果归因于大分子在受限介孔中的缓慢扩散。
当催化剂被封装在中空介孔二氧化硅中而不是药物时，反应发生在中空内部，从而使中空材料起到微反应器的作用。在大多数报道中，使用金属颗粒作为催化剂[15]、[19]、[20]，因为它们的粒径大于介孔孔径，从而防止了催化剂泄漏。此外，中空的封闭空间抑制了金属颗粒的聚集，延长了催化剂的使用寿命。我们证明了含有磺酸的介孔二氧化硅也可以被封装在具有径向排列介孔的中空球中，并进行了乙酸与1-丙醇的酯化反应以测试其效果[13]。作为微反应器使用时，具有径向排列介孔的中空球是最合适的类型，因为径向孔道为分子提供了从球内到球外的最短扩散路径。
含有均匀催化剂的水相也可以被封装在中空介孔二氧化硅球中以创建微反应器。我们通过变性将溶解在缓冲液中的细胞色素c封装在其中[18]。经过冠醚修饰后，封装的蛋白质表现出不对称氧化的催化活性。我们还在由水相（含铑催化剂）和有机相（含1-辛烯反应物）组成的两相氢甲酰化系统中使用了中空球[13]。在常规反应条件下（即不使用中空球时），反应混合物呈乳液状。反应物通过两相之间的液滴界面从有机相转移到水相并与铑催化剂反应。我们还使用少量中空球（0.2克球体对应1.5毫升水相）进行了氢甲酰化反应，仅有少量水相被封装在中空球中：封装的水相比例仅为6%（体积/体积）。通过增加中空球外表面与乳液中液滴之间的界面面积，总界面面积得到增加，从而提高了反应速率。
在这项研究中，我们报道了中空材料的一种新应用。具体来说，我们证明了具有径向排列介孔的中空二氧化硅球特别适合用于微波辐照加热下的两相反应微反应器。两相反应系统中的水相溶液被封装在中空球中，使两相反应变为表观上的单相反应。通常使用表面活性剂或相转移催化剂来提高两相反应的速率[21]、[22]；然而，它们的重复使用具有挑战性。本研究中报道的反应系统可以方便地将封装在催化剂中的中空球与反应混合物分离。此外，使用微波辐照来加热反应混合物。微波辐照广泛用于加热各种材料，如冷冻和冷藏食品。微波加热具有快速和选择性加热的优点，从而节省能源。水在加热过程中可以选择性吸收微波，而烷烃则不能被有效加热。在本研究中，含有催化剂的水相（反应发生的地方）通过微波辐照被选择性加热，而含有反应物的有机相（烷烃溶剂）则不能被很好地加热。反应系统的示意图如图1所示。有机相的不充分加热可能有助于节省能源。
部分摘录
中空介孔二氧化硅球的制备
采用我们之前的方法[13]制备了中空介孔二氧化硅球。在聚乙烯容器中的甲醇水溶液（甲醇/水=1000/1000（克/克）中加入十八烷基三甲基铵氯化物（8.8克）和氢氧化钠（5.7毫升），然后在20oC下边搅拌边逐滴加入四甲氧基硅烷（3.3克），持续1小时。此过程重复三次以形成介孔二氧化硅球（核心）。随后将四甲氧基硅烷和丙基三甲基硅烷的混合物……
结论
具有径向排列介孔的中空球被用作两相反应的微反应器。含有硫酸催化剂的水相被封装在中空球中，然后将这些球加入含有反应物的有机相中，使得反应表现为表观上的单相反应。使用中空球时的反应速率高于乳液条件下的两相反应速率，因为乳液中的液滴比中空球本身更大。
CRediT作者贡献声明
冈本雅司：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，资源准备，方法学，概念构思。和田雄二：方法学，概念构思。上田宏明：实验研究，数据分析。坪木俊太郎：撰写 – 审稿与编辑，方法学，概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
