连续流 7-9 秒一步将硫醚高效转化为砜，绿色制药合成新方案

砜类骨架是抗炎、抗癌、抗菌等多款重磅药物的核心结构，但传统合成工艺污染大、安全风险高；臭氧作为绿色氧化剂优势显著，却在微通道连续流超短反应时间内存在氧化动力学瓶颈，反应极易停留在亚砜中间体。西华大学团队开发地球丰产铁基可见光光催化耦合臭氧连续流氧化体系，仅需 7–9 秒即可高选择性将各类硫醚一步氧化为砜，催化剂可循环、可克级放大，适配药物、农药中间体工业化生产，相关成果发表于绿色化学顶刊《Green Chemistry》。

一、行业痛点：砜合成长期面临安全与绿色双重难题

砜是药物、功能材料的优势骨架，罗非昔布（抗炎）、比卡鲁胺（抗前列腺癌）、替硝唑（抗菌）、氨苯砜（抗麻风）等经典药物分子均含砜结构。

1. 传统氧化工艺缺陷重重

目前硫醚氧化制砜主流手段依赖间氯过氧苯甲酸 (m-CPBA)、高锰酸钾、过一硫酸氢钾等当量氧化剂：

· 成本高、原子经济性差，产生大量含盐有机废液，违背绿色化学理念；

· 氧化剂氧化性强，底物官能团兼容性差，后处理复杂。

2. 臭氧 + 间歇反应：安全隐患巨大

臭氧是氧气原位生成的绿色氧化剂，无固体副产物，但传统釜式反应器传质、传热能力差： 局部试剂富集、温度骤升，极易发生热失控、起火、爆炸，工业应用受限。

3. 纯臭氧连续流存在致命动力学悖论

连续流微反应器凭借高效传质传热，可安全使用高能臭氧，但出现关键难题： 硫醚→亚砜（第一步氧化，速率 k₁）极易进行；亚砜→砜（第二步氧化，速率 k₂）活化能壁垒高。 仅依靠臭氧自身氧化能力，在连续流秒级停留时间内，反应几乎全部停滞在亚砜，想要得到砜必须额外添加高浓度过氧化氢二次氧化，流程繁琐、成本上升。 国际 Kappe、Monbaliu 等课题组均证实了这一 “臭氧反应活性不足” 瓶颈。

二、突破性方案：铁光催化协同臭氧，7–9 秒一步氧化至砜

西华大学研究团队提出全新臭氧活化策略：储量丰富、廉价硝酸铁可见光光催化，原位生成超氧阴离子自由基 (・O₂⁻) 与单线态氧 (¹O₂) 两类活性氧，协同臭氧突破第二步氧化动力学壁垒，实现纯氧气源氧化剂、超短时间直接合成砜。

1. 连续流反应体系搭建

装置采用透明玻璃微通道反应器，搭配 405 nm LED 可见光阵列；硫醚底物、铁催化剂溶液经柱塞泵输送，与臭氧发生器产出的 O₃/O₂混合气流在线混合反应，全程控温 0 ℃。

2. 反应条件筛选（以苯甲硫醚为模板底物）

基础体系：九水硝酸铁 (10 mol%) 催化、四丁基溴化铵 TBAB (20 mol%) 助剂、乙腈溶剂、405 nm 可见光、0 ℃、臭氧氧气混合气，停留时间 7.7 s，目标砜产物收率高达 96%，亚砜杂质仅 3%。 对照实验清晰验证各组分必要性：

1. 催化剂不可替代：更换三氟甲磺酸铁、三溴化铁、三氯化铁，砜收率大幅跌至 65%–78%；无铁催化剂时砜仅 60%，亚砜为主产物；

2. 光照是核心增效条件：避光条件下砜收率降至 81%；无光无铁仅臭氧，砜收率仅 53%；

3. 溶剂适配性广：乙腈、二氯乙烷、乙酸乙酯均可高收率反应，甲醇、DMF 几乎只能得到亚砜。

三、广谱底物兼容：药物、杂环、新型除草剂全覆盖

该催化体系底物适用范围极广，共合成 46 种砜类化合物，收率 38%–99%，全部控制在 7–9 秒停留时间内完成转化：

1. 芳香硫醚：给电子基（甲基、甲氧基）、吸电子基（硝基、氰基）、卤代苯硫醚均高效转化；邻位溴取代底物因位阻收率小幅下降；酚羟基、多环芳烃、杂环硫醚官能团耐受度优异；

2. 烷基硫醚：甲基、乙基、环丙基、苄基硫醚氧化效果稳定；

3. 重磅药物及关键中间体合成 

o 罗非昔布中间体：94% 收率；

o 氨苯砜前体：89% 收率，一步脱保护即可得到原料药；

o 替硝唑（抗菌药）：61% 收率；

o 比卡鲁胺（抗前列腺癌药物）：93% 高收率；

o 舒林酸砜（抗癌潜力代谢物）；EPAC2 信号分子；

4. 新型农药先导化合物 团队合成一系列氨基甲酸酯取代砜类化合物，拟南芥根生长抑制活性筛选显示：100 ppm 浓度下化合物 2aj 根系抑制率达 95.6%，是具有潜力的除草剂先导骨架。

特色可控切换：单一体系可选择性合成亚砜 / 砜

仅通过调节臭氧浓度，无需更换催化剂、设备，即可实现化学选择性切换：低臭氧用量时反应停留在亚砜，高臭氧浓度一步得到砜，一套连续流设备满足两类中间体生产需求。

四、工业化潜力拉满：克级放大 + 催化剂可循环使用

1. 连续流规模化制备，产能稳定不降

· 苯甲硫醚放大：底物浓度提升 10 倍，流速提升 1.8 倍，产能提升 18 倍，砜收率维持 96%，小时产量 2.8 g；

· 比卡鲁胺药物放大：底物浓度提升 5 倍，流速翻倍，产能提升 10 倍，收率稳定 93%，每小时产出 4.1 g 原料药； 放大过程无选择性衰减，证明该工艺具备直接向中试、工业化转化的基础。

2. 铁催化剂低成本循环，契合绿色化工要求

硝酸铁水溶性优异，通过简单液液萃取即可分离有机产物与水相铁催化剂；回收后的催化水相直接循环使用 4 次，目标药物产物收率均保持 90% 以上，催化剂无明显失活，大幅降低生产成本与三废排放。

五、机理深度解析：铁 - 光协同双路径攻克氧化瓶颈

团队通过动力学对照、自由基捕获实验、EPR 电子顺磁共振表征完整阐明反应机制：

1. 动力学核心矛盾 间歇动力学测试证实：硫醚氧化为亚砜极快，亚砜二次氧化是决速步；单独铁催化剂（避光）、单独光照仅能小幅加速该步，铁 + 可见光协同才能实现速率跨越式提升。

2. 关键活性氧物种确认 自由基捕获实验：TEMPO、BHT、1,4 - 二甲氧基苯抑制反应，证明硫醚自由基阳离子是中间体；对苯醌（・O₂⁻捕获剂）、DABCO（¹O₂捕获剂）显著降低收率，叔丁醇（羟基自由基捕获剂）无影响，证明体系核心活性氧为超氧阴离子自由基、单线态氧，无羟基自由基参与。 EPR 谱图直接检测到 DMPO 捕获・O₂⁻六重特征峰、TEMP 捕获 ¹O₂三重特征峰，为机理提供直接光谱证据。

3. 双并行反应通路 

o 通路 1：臭氧直接氧化路径，臭氧进攻硫原子生成臭氧加合物，分步得到亚砜、砜；

o 通路 2：铁光催化活性氧介导路径（主通路） ① 可见光激发 Fe³+ 发生配体金属电荷转移 (LMCT) 生成激发态 * Fe³+； ② 与硫醚发生单电子转移，生成 Fe²+ 与硫醚自由基阳离子； ③ Fe²+ 还原臭氧生成臭氧阴离子自由基，快速分解产生・O₂⁻； ④ *Fe³+ 作为光敏剂，将能量传递给氧气生成 ¹O₂； ⑤・O₂⁻、¹O₂共同参与氧化，快速将亚砜转化为砜，突破动力学壁垒。

六、研究总结与行业价值

1. 纯氧气源臭氧连续流一步制砜体系，7–9 秒超快反应，解决臭氧在秒级连续流中氧化能力不足的核心科学难题；

2. 全流程绿色优势：氧化剂由氧气原位生成、铁催化剂廉价丰产、可多次循环、无大量固体危废，替代传统当量有毒氧化剂；

3. 工业落地适配性强：微通道反应器本质安全，无爆炸风险；克级放大收率无衰减，兼容药物、农药中间体规模化合成；单一设备可切换生产亚砜 / 砜两类高价值中间体；

4. 拓展意义：建立 “金属光催化激活高能氧化剂” 全新范式，为其他超快连续流反应克服动力学限制提供通用研发思路。