连续光流反应新突破！杂螺烯规模化合成方案问世，手性光电材料量产迎来新思路

螺旋烯（Helicene）作为一类具有独特螺旋手性的多环芳烃，在手性发光、有机场效应晶体管、自旋电子器件等领域拥有不可替代的应用价值。在螺旋骨架中嵌入硫、氧、氮杂原子得到的杂螺烯（Heterohelicenes），能精准调控分子光电、手性传输性能，是新一代手性功能材料的核心候选分子。

但长期以来，杂螺烯合成存在反应难放大、批次反应耗时长、底物适用范围窄等痛点，极大限制了材料工业化推进。近日伦敦玛丽女王大学 Jochen R. Brandt 团队在《Organic Letters》发表重磅成果，开发出一套通用、可放大的连续流光 Mallory 光环化合成策略，一站式高效制备硫杂、氧杂、氮杂全系列杂螺烯，为手性有机光电材料量产提供全新路径。

一、杂螺烯：潜力巨大，却困于合成瓶颈

1. 为什么杂螺烯备受学界追捧？

普通螺烯依靠邻位稠合芳香环形成扭曲螺旋手性，兼具圆偏振光响应、高效电荷传输两大核心优势；而在螺旋骨架引入 S/O/N 杂原子的杂螺烯，可通过杂原子类型精准调节分子能级、手性拆分壁垒、自旋输运特性，两大前沿领域应用前景广阔：

1. 圆偏振光器件：可用于有机发光、圆偏振光探测器；

2. 自旋电子学（Spintronics）：依托手性诱导自旋选择性（CISS）效应，实现自旋筛选，是下一代低功耗自旋器件关键材料。

2. 传统合成的致命短板

目前主流制备杂螺烯依赖批次式 Mallory 光环化反应，存在多重硬伤：

· 放大困难：光反应传质、光照不均，放大后产率断崖式下跌；

· 反应周期长：氮杂螺烯批次反应需 36 小时，效率极低；

· 副反应难控：高功率紫外易过度环化，生成苝类副产物；

· 通用性差：少有体系能同时兼容硫、氧、氮、噻唑、吡啶等多类杂环底物。

光流化学（Photoflow）本是解决光反应放大的绝佳方案，但此前极少有研究将其用于杂螺烯光环化合成，该领域长期存在研究空白。

二、核心方案：连续流光 Mallory 光环化体系

本次研究搭建 Vapourtec UV-150 连续光化学反应平台，以 365 nm 紫外 LED 为光源，建立两套可切换的标准反应体系，覆盖绝大多数杂螺烯底物：

体系 A（当量碘，甲苯 / THF 溶剂）

适配绝大多数硫杂、长链稠环螺烯，最优停留时间 100 s（管路流速 6 mL/min，10 mL 盘管），原料二苯乙烯前体通量最高可达195 mg / 小时；经典底物 [4] 硫杂螺烯最高产率 94%，克级放大（9.8 mmol）仍维持 79% 高产率。

体系 B（催化量碘 0.1 eq，提升 THF 比例）

针对含氮杂环底物设计，大幅减少副产物 HI 生成，避免氮杂产物质子化析出黑色沉淀，解决吡啶、噻唑、咔唑类螺烯溶解性差、产率偏低的问题。

反应机理简述

遵循经典 Mallory 反应路径：底物杂二苯乙烯经 6π 电环化生成二氢菲中间体，再经碘 / 氧气氧化芳构化得到螺旋产物；流动体系持续均匀光照，大幅抑制过度环化、开环副反应。

三、底物广谱性：从 [4] 到 [7] 多尺寸杂螺烯全覆盖

团队拓展了超过 20 种全新杂螺烯分子，涵盖硫杂、氧杂、氮杂、噻二唑、喹啉、咔唑等骨架，长短螺旋结构均可高效合成，代表性成果一览：

1. 硫杂螺烯（性能最优） 

o [4] 硫杂螺烯：0.2 mmol 小试 94% 产率，9.8 mmol 克级放大 79%；

o 双环化一步制备 [7] 硫杂螺烯，产率 73%，规避传统热重排苛刻条件；

2. 氧杂螺烯：呋喃基 [4] 氧杂螺烯产率 57%–74%，低功率 60 W 紫外灯效果优于 150 W 高功率光源；

3. 氮杂螺烯（解决传统短板） 喹啉基氮杂 [5] 螺烯，传统批次反应 36 h 产率 82%；本流动体系换用 60 W 弱光源，抑制双环化苝类副产物，搭配甲苯 / 乙腈混合溶剂，44% 产率快速完成制备，反应时间从数十小时压缩至百秒级；氯代吡啶螺烯最高 78% 产率，氯原子阻断异构副反应，无区域异构体生成；

4. 超长螺旋模块化延伸 以氯代 [4] 硫杂螺烯为骨架，通过 Heck/Suzuki 偶联延长碳链，再二次光环化，三步反应高效得到不对称 [6] 双硫代螺烯，总收率 53%，实现长螺旋分子模块化迭代合成。

四、连续流 vs 传统批次，四大碾压级优势

1. 极易规模化 批次光反应放大受光照面积限制，该流动体系直接实现 9.8 mmol 克级制备，通量稳定 195 mg/h，适配中试量产需求；

2. 反应速度提升百倍 单步反应停留时间仅 100 秒，对比传统氮杂螺烯 36 小时批次反应，效率提升超 3 个数量级；

3. 副反应可控，选择性更高 可根据底物灵活切换光源功率、溶剂配比、碘用量，精准抑制开环、过度环化、区域异构副产物；例如噻二唑螺烯目标产物与线性副产物比例优化至 3:1，优于文献 1:1 的结果；

4. 模块化合成，拓展长螺旋手性材料 卤代螺烯产物可直接作为偶联反应砌块，搭建 “光环化 - 交叉偶联 - 二次光环化” 三步模块化路线，快速构建不对称长螺烯。长链 [6]/[7] 螺烯室温不易消旋，可拆分稳定 P/M 手性对映体，更适配高性能手性器件。

五、行业价值与未来展望

杂螺烯是手性有机功能材料的核心赛道，而合成工艺是制约其落地的关键瓶颈。本研究将连续流光化学与经典 Mallory 环化结合，兼顾广谱底物、高产率、快速反应、可规模化四大核心需求，为螺旋手性分子的工业化制备开辟全新范式，也将有力推动有机自旋电子、手性光电器件的研发进程。