毫克级固相合成反应器中混合机制与自动聚糖组装过程的优化研究

本研究针对固相合成(SPS)中混合过程缺乏定量理论框架的问题，系统评估了机械搅拌与氩气鼓泡两种混合方式在毫克级反应器中的性能。通过数字图像分析技术，研究人员发现两种方法均能在1秒内实现液相均质化，并证实了鼓泡混合在二氯甲烷(DCM)和二甲基甲酰胺(DMF)中的颗粒分散有效性。该研究为自动化聚糖组装(AGA)工艺优化提供了关键工程学参数，对生物大分子合成领域具有重要指导意义。

　　

在生物大分子合成领域，固相合成(Solid Phase Synthesis, SPS)技术已成为制备肽段、寡核苷酸和寡糖的关键手段。然而，这种异相反应体系中的混合过程长期缺乏定量分析，特别是对于毫克级反应器中的传质机制认识不足。混合效率的低下往往导致试剂过量使用、反应时间延长和副产物增多等问题，严重制约了合成效率。尤其在自动化聚糖组装(Automated Glycan Assembly, AGA)过程中，如何实现快速均质混合与颗粒分散，成为提高合成纯度和产量的核心挑战。

为系统评估混合性能，研究人员搭建了数字图像分析(Digital Image Analysis, DIA)平台，对机械搅拌(100-1300 rpm)和氩气鼓泡(1-30 cm³/min)两种混合方式进行了定量比较。研究选用乙腈(ACN)、二氯甲烷(DCM)和二甲基甲酰胺(DMF)三种常用溶剂，通过示踪剂浓度变化曲线计算分散系数(D_Z)，并采用分散模型对混合过程进行数学表征。

关键技术方法包括：1）搭建光学监测平台，通过折射率匹配技术增强图像分辨率；2）采用Fiji（ImageJ）软件进行气泡参数和颗粒分散的定量分析；3）通过Python脚本处理时空浓度分布数据；4）使用商业化的自动聚糖合成仪(Glyconeer 3.1)进行验证性合成；5）应用反相高效液相色谱(RP-HPLC)与质谱联用技术分析产物纯度。

3.1. 鼓泡流态表征

研究发现溶剂物性显著影响气泡行为：在DMF中气泡保持球形且尺寸分布均匀（均质流态），而在DCM和ACN中随气速增加呈现椭球形态且尺寸分布展宽（异质流态）。通过漂移通量模型确定流态转变临界点，为反应器设计提供了重要参数。

3.2. 均相体系混合

两种混合方式均可实现秒级混合（t_m≈1s）。当鼓泡气速＞0.35 cm/s或机械搅拌＞700 rpm时，混合效率达到平台期。分散系数D_Z与雷诺数(Re)呈线性关系，且颗粒存在（20 mg/mL）对液相混合无显著影响。

3.3. 颗粒分散特性

在ACN中颗粒分散困难（阿基米德数Ar=27.3），而在DCM和DMF中可实现快速分散（t_dispersion<2s）。研究表明颗粒终端速度与溶剂溶胀特性是影响分散效果的关键因素。

3.4. 可控鼓泡条件下的AGA

在鼓泡气速0.60-0.70 cm/s条件下，成功合成了从二聚体到五聚体的多种聚糖探针。温度实验表明：甘露糖苷构建块在0°C即可高效偶联，而半乳糖苷和葡萄糖苷构建块需要-10°C至-25°C的低温条件。采用分阶段温度策略（-20°C→0°C）和6当量供体，实现了五聚体11的合成（89%粗纯度）。

研究结论表明，机械搅拌与鼓泡混合在优化条件下具有等效性，为反应器选型提供了科学依据。鼓泡混合不仅能维持惰性氛围，还可简化反应器结构，特别适用于对水分敏感的低温反应。通过耦合混合工程学与反应动力学优化，成功将偶联时间缩短至3分钟（较传统方案减少4倍），同时将构建块用量降低50%。该研究建立的定量分析方法与混合准则，为生物大分子固相合成的工艺优化提供了普适性指导，对推动自动化合成平台的标准化建设具有重要意义。论文发表于《Organometallics》，为有机合成与化学工程学的交叉研究提供了典范。