液液反应是一类重要的化学反应。增加传质通量和改善反应后的分离问题一直是科学家们致力于解决的两大难点。人们通常在反应体系中加入相转移催化剂配合机械搅拌来实现这一功能，但新组分的引入增加了分离难度并且可能对反应体系造成干扰。因此，在不添加额外组分的条件下，仅通过反应器结构实现传质强化和改善分离的目的仍然是一项挑战。

近日，大连理工大学陶胜洋教授团队受合胞体的多细胞核结构以及细胞膜的水-油-水界面启发，设计了一种细胞反应器。该细胞反应器可以视为由多个细胞单元简单堆积形成。这种堆积结构强化了功能，并提供了更高的机械强度。不同的细胞单元具有不同的桁架结构，因此带来不同固-液和液-液接触特征。从力分析和能量分析两方面研究了设计细胞反应器的基本原理。固液粘附力与液体重力的平衡决定了细胞能否持有液体（力分析）。从表界面能量角度分析，得出了细胞反应器的持液条件（能量分析）。由此搭建了设计细胞反应器理论基础，并为后续研究人员设计细胞反应器提供了指导。使用细胞反应器进行了一系列液液反应，包括醇与 3,4-2H-二氢吡喃的加成反应，苯甲醛和丙二腈的 Knoevenagel 缩合反应，巯基化合物的偶联反应以及硫醚氧化成砜的反应。绝大多数反应都取得了95%以上的产率。并且在反应结束后，仅需要将细胞反应器从烧瓶中向上提拉取出，无需其他操作即可实现水油两相的分离。

相关研究成果发表于国际著名期刊《自然·通讯》(Nature  Communications)上，文章题目为“Liquid-Liquid Reactions Performed by Cellular Reactors”。博士生曹金哲为论文第一作者，陶胜洋教授为唯一通讯作者。大连理工大学为唯一完成单位。

陶胜洋教授团队致力交叉学科研究，将数字化研究工具与化学反应相结合，广泛使用计算流体力学、计算化学、机器学习、折纸几何学、3D CAD设计、3D打印、激光加工、自动控制等方法解决化合物在分子设计、合成、传递、聚集和放大生产中的科学与技术问题，已在微流体与连续流反应、多相反应器设计、全自动机器人化学家等方面进行了基础研究和工程技术应用。

图1：反应器设计的基本原理

图2：不同细胞单元的力学特征和持液特征

图3细胞反应器的工作原则

以上研究项目得到了国家自然科学基金、精细化工国家重点实验室、教育部智能材料化工前沿科学中心以及大连市智能化学重点实验室的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-49953-z