螺旋烯（Helicene）作為一類具有獨特螺旋手性的多環(huán)芳烴，在手性發(fā)光、有機場效應(yīng)晶體管、自旋電子器件等領(lǐng)域擁有不可替代的應(yīng)用價值。在螺旋骨架中嵌入硫、氧、氮雜原子得到的雜螺烯（Heterohelicenes），能精準調(diào)控分子光電、手性傳輸性能，是新一代手性功能材料的核心候選分子。

但長期以來，雜螺烯合成存在反應(yīng)難放大、批次反應(yīng)耗時長、底物適用范圍窄等痛點，極大限制了材料工業(yè)化推進。近日倫敦瑪麗nvwang大學 Jochen R. Brandt 團隊在《Organic Letters》發(fā)表重磅成果，開發(fā)出一套通用、可放大的連續(xù)流光 Mallory 光環(huán)化合成策略，一站式高效制備硫雜、氧雜、氮雜全系列雜螺烯，為手性有機光電材料量產(chǎn)提供全新路徑。

一、雜螺烯：潛力巨大，卻困于合成瓶頸

1. 為什么雜螺烯備受學界追捧？

普通螺烯依靠鄰位稠合芳香環(huán)形成扭曲螺旋手性，兼具圓偏振光響應(yīng)、高效電荷傳輸兩大核心優(yōu)勢；而在螺旋骨架引入 S/O/N 雜原子的雜螺烯，可通過雜原子類型精準調(diào)節(jié)分子能級、手性拆分壁壘、自旋輸運特性，兩大前沿領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊：

1. 圓偏振光器件：可用于有機發(fā)光、圓偏振光探測器；

2. 自旋電子學（Spintronics）：依托手性誘導(dǎo)自旋選擇性（CISS）效應(yīng)，實現(xiàn)自旋篩選，是下一代低功耗自旋器件關(guān)鍵材料。

2. 傳統(tǒng)合成的致命短板

目前主流制備雜螺烯依賴批次式 Mallory 光環(huán)化反應(yīng)，存在多重硬傷：

· 放大困難：光反應(yīng)傳質(zhì)、光照不均，放大后產(chǎn)率斷崖式下跌；

· 反應(yīng)周期長：氮雜螺烯批次反應(yīng)需 36 小時，效率極低；

· 副反應(yīng)難控：高功率紫外易過度環(huán)化，生成苝類副產(chǎn)物；

· 通用性差：少有體系能同時兼容硫、氧、氮、噻唑、吡啶等多類雜環(huán)底物。

光流化學（Photoflow）本是解決光反應(yīng)放大的合適方案，但此前極少有研究將其用于雜螺烯光環(huán)化合成，該領(lǐng)域長期存在研究空白。

二、核心方案：連續(xù)流光 Mallory 光環(huán)化體系

本次研究搭建 Vapourtec UV-150 連續(xù)光化學反應(yīng)平臺，以 365 nm 紫外 LED 為光源，建立兩套可切換的標準反應(yīng)體系，覆蓋絕大多數(shù)雜螺烯底物：

體系 A（當量碘，甲苯 / THF 溶劑）

適配絕大多數(shù)硫雜、長鏈稠環(huán)螺烯，停留時間 100 s（管路流速 6 mL/min，10 mL 盤管），原料二苯乙烯前體通量最高可達195 mg / 小時；經(jīng)典底物 [4] 硫雜螺烯最高產(chǎn)率 94%，克級放大（9.8 mmol）仍維持 79% 高產(chǎn)率。

體系 B（催化量碘 0.1 eq，提升 THF 比例）

針對含氮雜環(huán)底物設(shè)計，大幅減少副產(chǎn)物 HI 生成，避免氮雜產(chǎn)物質(zhì)子化析出黑色沉淀，解決吡啶、噻唑、咔唑類螺烯溶解性差、產(chǎn)率偏低的問題。

反應(yīng)機理簡述

遵循經(jīng)典 Mallory 反應(yīng)路徑：底物雜二苯乙烯經(jīng) 6π 電環(huán)化生成二氫菲中間體，再經(jīng)碘 / 氧氣氧化芳構(gòu)化得到螺旋產(chǎn)物；流動體系持續(xù)均勻光照，大幅抑制過度環(huán)化、開環(huán)副反應(yīng)。

三、底物廣譜性：從 [4] 到 [7] 多尺寸雜螺烯全覆蓋

團隊拓展了超過 20 種全新雜螺烯分子，涵蓋硫雜、氧雜、氮雜、噻二唑、喹啉、咔唑等骨架，長短螺旋結(jié)構(gòu)均可高效合成，代表性成果一覽：

1. 硫雜螺烯（性能合適） 

o [4] 硫雜螺烯：0.2 mmol 小試 94% 產(chǎn)率，9.8 mmol 克級放大 79%；

o 雙環(huán)化一步制備 [7] 硫雜螺烯，產(chǎn)率 73%，規(guī)避傳統(tǒng)熱重排苛刻條件；

2. 氧雜螺烯：呋喃基 [4] 氧雜螺烯產(chǎn)率 57%–74%，低功率 60 W 紫外燈效果優(yōu)于 150 W 高功率光源；

3. 氮雜螺烯（解決傳統(tǒng)短板） 喹啉基氮雜 [5] 螺烯，傳統(tǒng)批次反應(yīng) 36 h 產(chǎn)率 82%；本流動體系換用 60 W 弱光源，抑制雙環(huán)化苝類副產(chǎn)物，搭配甲苯 / 乙腈混合溶劑，44% 產(chǎn)率快速完成制備，反應(yīng)時間從數(shù)十小時壓縮至百秒級；氯代吡啶螺烯最高 78% 產(chǎn)率，氯原子阻斷異構(gòu)副反應(yīng)，無區(qū)域異構(gòu)體生成；

4. 超長螺旋模塊化延伸 以氯代 [4] 硫雜螺烯為骨架，通過 Heck/Suzuki 偶聯(lián)延長碳鏈，再二次光環(huán)化，三步反應(yīng)高效得到不對稱 [6] 雙硫代螺烯，總收率 53%，實現(xiàn)長螺旋分子模塊化迭代合成。

四、連續(xù)流 vs 傳統(tǒng)批次，四大碾壓級優(yōu)勢

1. 極易規(guī)模化 批次光反應(yīng)放大受光照面積限制，該流動體系直接實現(xiàn) 9.8 mmol 克級制備，通量穩(wěn)定 195 mg/h，適配中試量產(chǎn)需求；

2. 反應(yīng)速度提升百倍 單步反應(yīng)停留時間僅 100 秒，對比傳統(tǒng)氮雜螺烯 36 小時批次反應(yīng)，效率提升超 3 個數(shù)量級；

3. 副反應(yīng)可控，選擇性更高 可根據(jù)底物靈活切換光源功率、溶劑配比、碘用量，精準抑制開環(huán)、過度環(huán)化、區(qū)域異構(gòu)副產(chǎn)物；例如噻二唑螺烯目標產(chǎn)物與線性副產(chǎn)物比例優(yōu)化至 3:1，優(yōu)于文獻 1:1 的結(jié)果；

4. 模塊化合成，拓展長螺旋手性材料 鹵代螺烯產(chǎn)物可直接作為偶聯(lián)反應(yīng)砌塊，搭建 “光環(huán)化 - 交叉偶聯(lián) - 二次光環(huán)化” 三步模塊化路線，快速構(gòu)建不對稱長螺烯。長鏈 [6]/[7] 螺烯室溫不易消旋，可拆分穩(wěn)定 P/M 手性對映體，更適配高性能手性器件。

五、行業(yè)價值與未來展望

雜螺烯是手性有機功能材料的核心賽道，而合成工藝是制約其落地的關(guān)鍵瓶頸。本研究將連續(xù)流光化學與經(jīng)典 Mallory 環(huán)化結(jié)合，兼顧廣譜底物、高產(chǎn)率、快速反應(yīng)、可規(guī)模化四大核心需求，為螺旋手性分子的工業(yè)化制備開辟全新范式，也將有力推動有機自旋電子、手性光電器件的研發(fā)進程。