螺旋烯（Helicene）作為一類具有獨特螺旋手性的多環芳烴，在手性發光、有機場效應晶體管、自旋電子器件等領域擁有不可替代的應用價值。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難放大、批次反應耗時長、底物適用范圍窄等痛點，極大限制了材料工業化推進。近日倫敦瑪麗nvwang大學 Jochen R. Brandt 團隊在《Organic Letters》發表重磅成果，開發出一套通用、可放大的連續流光 Mallory 光環化合成策略，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形成扭曲螺旋手性，兼具圓偏振光響應、高效電荷傳輸兩大核心優勢；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節分子能級、手性拆分壁壘、自旋輸運特性，兩大前沿領域應用前景廣闊：

1. 圓偏振光器件：可用于有機發光、圓偏振光探測器；

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

2. 傳統合成的致命短板

目前主流制備雜螺烯依賴批次式 Mallory 光環化反應，存在多重硬傷：

· 放大困難：光反應傳質、光照不均，放大后產率斷崖式下跌；

· 反應周期長：氮雜螺烯批次反應需 36 小時，效率極低；

· 副反應難控：高功率紫外易過度環化，生成苝類副產物；

· 通用性差：少有體系能同時兼容硫、氧、氮、噻唑、吡啶等多類雜環底物。

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

二、核心方案：連續流光 Mallory 光環化體系

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

體系 A（當量碘，甲苯 / THF 溶劑）

適配絕大多數硫雜、長鏈稠環螺烯，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；經典底物 [4] 硫雜螺烯最高產率 94%，克級放大（9.8 mmol）仍維持 79% 高產率。

體系 B（催化量碘 0.1 eq，提升 THF 比例）

針對含氮雜環底物設計，大幅減少副產物 HI 生成，避免氮雜產物質子化析出黑色沉淀，解決吡啶、噻唑、咔唑類螺烯溶解性差、產率偏低的問題。

反應機理簡述

遵循經典 Mallory 反應路徑：底物雜二苯乙烯經 6π 電環化生成二氫菲中間體，再經碘 / 氧氣氧化芳構化得到螺旋產物；流動體系持續均勻光照，大幅抑制過度環化、開環副反應。

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，長短螺旋結構均可高效合成，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% 產率，9.8 mmol 克級放大 79%；

o 雙環化一步制備 [7] 硫雜螺烯，產率 73%，規避傳統熱重排苛刻條件；

2. 氧雜螺烯：呋喃基 [4] 氧雜螺烯產率 57%–74%，低功率 60 W 紫外燈效果優于 150 W 高功率光源；

3. 氮雜螺烯（解決傳統短板） 喹啉基氮雜 [5] 螺烯，傳統批次反應 36 h 產率 82%；本流動體系換用 60 W 弱光源，抑制雙環化苝類副產物，搭配甲苯 / 乙腈混合溶劑，44% 產率快速完成制備，反應時間從數十小時壓縮至百秒級；氯代吡啶螺烯最高 78% 產率，氯原子阻斷異構副反應，無區域異構體生成；

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 偶聯延長碳鏈，再二次光環化，三步反應高效得到不對稱 [6] 雙硫代螺烯，總收率 53%，實現長螺旋分子模塊化迭代合成。

四、連續流 vs 傳統批次，四大碾壓級優勢

1. 極易規?；?/span> 批次光反應放大受光照面積限制，該流動體系直接實現 9.8 mmol 克級制備，通量穩定 195 mg/h，適配中試量產需求；

2. 反應速度提升百倍 單步反應停留時間僅 100 秒，對比傳統氮雜螺烯 36 小時批次反應，效率提升超 3 個數量級；

3. 副反應可控，選擇性更高 可根據底物靈活切換光源功率、溶劑配比、碘用量，精準抑制開環、過度環化、區域異構副產物；例如噻二唑螺烯目標產物與線性副產物比例優化至 3:1，優于文獻 1:1 的結果；

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

五、行業價值與未來展望

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鍵瓶頸。本研究將連續流光化學與經典 Mallory 環化結合，兼顧廣譜底物、高產率、快速反應、可規?；拇蠛诵男枨?，為螺旋手性分子的工業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進程。