综述：微滴在化学合成中的应用

《Chinese Journal of Chemistry》：Application of Microdroplets in Chemical Synthesis

微液滴化学通过气液界面特性实现反应加速，应用于绿色合成、电化学及生物分子制备，面临规模化与控制挑战。

　　

全面总结

在过去十年中，微滴化学迅速发展成为一个具有变革性的领域，通过利用气液界面的独特物理化学性质，在化学合成方面提供了前所未有的机会。含有水的微滴利用了气液界面处的独特物理化学特性，包括强烈的界面电场、局部浓度效应、部分溶剂化作用以及微滴蒸发，这些因素共同促进了自发的化学反应并显著加速了反应速率，与传统的大规模体系相比，反应速率提高了几个数量级。微滴的封闭微环境不仅增强了质量传递和分子碰撞频率，还稳定了反应中间体，使得那些在动力学或热力学上受限的反应路径得以实现。本文首先总结了微滴生成的关键方法，包括电喷雾离子化、气体雾化、超声雾化、悬浮技术和绝热膨胀，并探讨了这些技术如何影响微滴的关键特性和反应性。随后，文章讨论了这些微滴独特性质在多种化学合成反应中的应用，包括氧化还原反应、耦合反应、生物分子的非生物合成以及准电化学反应。在这些系统中观察到的反应性能提升源于质量传递增强、局部浓度富集、界面电场以及微滴蒸发的协同作用。此外，微滴能够在温和条件下稳定反应中间体，从而实现了绿色合成方法，显著减少了对有害试剂、金属催化剂和高能耗过程的依赖。尽管微滴具有巨大的潜力，但它们仍然面临着可扩展性和过程控制方面的挑战。目前在反应器设计、薄膜沉积、溶剂回收和计算建模方面的进展正在逐步解决这些限制。通过将基础研究与实际应用相结合，微滴化学为绿色合成和可持续化化学生产展现了其独特的价值，为化学及相关领域的全球性挑战提供了创新解决方案。

关键科学家

在过去十年中，微滴化学在基础性质和应用方面都取得了快速发展。2011年，Cooks等人首次提出了水微滴的加速反应特性，为后续研究奠定了基础。^[1]同年，Banerjee及其同事报告了在电喷雾微滴中发生的、在大规模体系中无法实现的异常化学转化，从而强调了微滴作为“微型反应器”的概念。^[2]2015年，Zare的研究团队首次利用微滴的特性在常温条件下合成了异喹啉和取代喹啉，为有机合成提供了一种新的“微型反应器”策略。^[3]2018年，该团队证明了微滴的高电场和气液界面效应可以显著加速化学反应；次年，他们报道了水微滴中H₂O₂的自发生成。^[4-5]2020年，Zare和Min Wei领导的研究团队确定水微滴界面的电场强度约为10⁹ V/m。^[6]2022年，Zhang等人实验观察到了微滴界面上的自由电子和羟基自由基，为微滴化学中的界面效应提供了直接证据。^[7]同年，Teresa Head-Gordon的团队通过计算得出水微滴界面的电场遵循洛伦兹分布，平均值为1.6 × 10⁹ V/m。^[8]2024年，Fan及其同事将微滴与电化学结合，将其用作微型反应器来促进电化学反应。^[9]2025年，Zhang等人进一步推进了微滴反应器的放大研究，不断推动微滴技术向工业化应用迈进。^[10]