引言

         旋转蒸发仪通常用于反应后处理，通过减压、加热、旋转和冷凝移除挥发性溶剂。Chen、Wang和Zhang研究了影响旋转蒸发去除高沸点溶剂所需时间的因素，并提出了相应的优化条件；该研究同时给出了两个快速脱水反应实例，表明旋转蒸发仪除用于溶剂移除外，也可以直接参与有机合成过程。[1]

         旋转蒸发辅助合成随后被用于不同类型的可逆脱水反应。Chen等报道了羧酸与苄醇的直接酯化，在减压、无溶剂条件下以对甲苯磺酸催化羧酸O-苄基化，并生成水作为副产物。[2] Jiang等进一步报道了旋转蒸发辅助的环状缩醛和缩酮合成，将这种反应—挥发分离耦合方式扩展到不同环尺寸的环状缩醛和缩酮构筑。[3]

这类旋转蒸发辅助可逆脱水反应的核心并非单纯降低反应压力，而是将化学反应与挥发性组分的持续移除耦合起来，其过程可以概括为：

         减压挥发 → 挥发性组分移除 → 反应液组成变化 → 平衡响应

         挥发性副产物持续离开反应液可以改变反应商及体系的净反应方向，但实际效果同时取决于反应物和产物的挥发性、共蒸行为、传热传质、反应液流动状态，以及冷凝和真空系统的处理能力。

1. 减压旋转蒸发中的气液相变与蒸发通量

1.1 饱和蒸气压与减压沸腾

         液体中的分子持续在液相和气相之间交换。纯物质在给定温度下与其凝聚相达到平衡时产生的蒸气压力称为饱和蒸气压。对于多数液体，温度升高时饱和蒸气压随之升高。[4]

         纯液体发生沸腾时，其饱和蒸气压达到周围压力。常压沸点对应101325 Pa这一特定压力条件；降低体系压力后，相同液体可以在较低温度下达到沸腾条件。[5]

         这一关系构成旋转蒸发减压操作的物理基础。常压沸点能够表征液体的一项基础挥发性质，但旋转蒸发的实际蒸发速率还受操作压力、液体实际温度、气液界面状态及传热传质能力影响。

         同样被归为“高沸点溶剂”的不同液体，在具体旋转蒸发条件下并不一定表现出相同的去除难度。

1.2 汽化吸热与液体实际温度

         液体由液相转变为气相需要吸收汽化所需的热量。蒸发通量提高时，单位时间内由加热浴向反应液补充的热量也需要相应增加。

旋转蒸发体系中存在三个相关但不同的温度：

         持续汽化会带走热量，因此加热浴设定温度不能直接视为反应液实际温度。相同浴温下，操作压力、装液量、烧瓶尺寸和蒸发负荷不同，液体温度也可能不同。

         旋转蒸发辅助反应涉及化学反应时，这一区分尤其重要。判断反应动力学及温度对化学平衡的影响时，应以反应液实际温度为依据，而不能直接采用仪器显示的加热浴设定温度。

1.3 旋转、润湿液层与传热传质

         烧瓶旋转使液体沿内壁运动，在适宜的装液量、转速和流体性质下形成不断更新的润湿液层。液体与受热烧瓶壁的接触、液相内部对流以及气液界面的更新均随之改变。

旋转对蒸发过程的主要影响包括：

         ①改善烧瓶壁与液体之间的热量传递；

         ②促进液相内部混合；

         ③持续更新气液界面；

         ④改变液层厚度和局部传质距离。

         旋转蒸发相关传热研究表明，热通量、旋转状态和液体流动条件均会影响蒸发器中的传热行为，具体影响程度同时依赖设备结构和操作状态。[9]

         减压提供适宜的气液相变条件，热量输入和液体运动进一步影响实际蒸发通量。反应液由多种化学组分组成时，还需要考虑各组分进入气相的差异。

2. 多组分反应液中的挥发性差异与共蒸

2.1 液相组成与气相组成

         有机反应液通常同时含有反应物、产物、水、溶剂和催化剂。减压作用于整个混合体系，各可挥发组分均可能进入气相。

         对于理想液体混合物，拉乌尔定律表明，一个组分对气相压力的贡献与其在液相中的摩尔分数以及该温度下纯组分的蒸气压相关。真实反应液存在氢键、偶极作用及其他分子间相互作用时，会产生不同程度的非理想行为，此时需要用活度描述组分的有效热力学状态。[6]

         这意味着旋转蒸发辅助脱水过程中，接收瓶中的冷凝液并不一定只有水。醇、醛、酮以及有机溶剂等具有一定挥发性的组分也可能同时进入气相。

旋转蒸发用于反应时，需要同时评价两个过程指标：

2.2 副产物移除与反应物共蒸

以羰基化合物与二醇形成环状缩醛为例：

         醛或酮 + 二醇 ⇌ 环状缩醛或缩酮 + 水

         水在减压条件下可以进入气相，但反应体系中的挥发性醛、酮、醇或溶剂也可能同时蒸出。不同组分进入气相的程度与温度、压力、液相组成和分子间相互作用有关。

较有利的反应—分离状态表现为：

         低级醇、低沸醛或其他挥发性底物的共蒸可能改变反应物的实际比例。随着反应和浓缩持续进行，液相组成进一步变化，同一操作压力下的蒸气组成也可能随反应进程发生变化。

         反应生成挥发性副产物为连续分离提供了条件，副产物与反应物、产物之间的挥发性差异则影响这一分离过程的实际有效性。

3. 挥发性副产物移除与可逆脱水平衡

3.1 水活度、反应商与平衡状态

         可逆反应的平衡状态由反应物和产物的热力学状态共同决定。活度用于描述化学组分相对于所选标准态的有效热力学状态；热力学平衡常数由各组分平衡活度及其化学计量关系确定。[7,8]

以化学计量数均为1的羧酸酯化为例：

         羧酸 + 醇 ⇌ 酯 + 水

         该反应在任一组成状态下的反应商Q为：

         Q = [a(酯) × a(水)] / [a(羧酸) × a(醇)]

         其中，a(酯)、a(水)、a(羧酸)和a(醇)分别表示相应组分的活度。

达到热力学平衡时：

         Q = K

         其中K为该温度下相应反应的热力学平衡常数。[8]

         持续从反应液中移除水通常会降低水的活度。在操作温度近似稳定、其他组成变化没有抵消这一影响时，Q随之降低；对于上述正向反应定义，当Q小于K时，体系具有向生成酯和水方向发生净反应的热力学驱动力。

         连续除水过程中，反应液属于组成不断变化的开放体系，通常处于动态非平衡操作状态。Q与K的关系用于判断特定组成状态下的净反应方向。

3.2 酯化中的连续除水

酸催化羧酸酯化可表示为：

         RCOOH + R'OH ⇌ RCOOR' + H2O

         随着反应进行，酯和水生成，反应液组成逐渐变化。在封闭且温度等条件保持不变的体系中，反应商Q随体系趋于平衡而逐步接近K；反应过程中持续移除水，则使反应液保持在不同于封闭体系的组成状态。

旋转蒸发辅助条件下，水由反应液进入气相，经冷凝后进入接收瓶。过程关系可概括为：

         反应生成水 → 水进入气相 → 冷凝并与反应液分离

         Chen等报道了羧酸与苄醇的直接酯化，即羧酸O-苄基化。该方法使用对甲苯磺酸催化，在旋转蒸发辅助的减压、无溶剂条件下进行；反应在30 min内完成，并以水作为副产物。[2]

         这一结果证明了连续减压挥发能够与直接酯化同步进行。具体反应表现同时受酸催化、底物比例、温度、浓度、挥发损失及传质条件影响。

3.3 缩醛和缩酮形成中的连续除水

环状缩醛和缩酮形成可表示为：

         醛或酮 + 二醇 ⇌ 环状缩醛或缩酮 + H2O

         水是正向反应的产物，同时参与酸性条件下缩醛或缩酮的水解。反应过程中持续降低体系中的水活度，会改变反应商及正、逆反应所处的组成条件。

         Jiang等报道了旋转蒸发辅助的环状缩醛和缩酮合成，在少量二甲基亚砜（dimethyl sulfoxide，DMSO）存在下，可在约30 min内获得不同环尺寸的环状缩醛和缩酮产物。[3] 减压条件下持续移除反应生成的水，使缩醛化或缩酮化与挥发分离同步进行。

         作为另一种连续移水方式的对照，Natraj和Dutta以糠醛、5-甲基糠醛以及乙二醇、1,2-丙二醇和1,3-丙二醇为底物，在质子化κ-卡拉胶（kCH）非均相酸催化下合成环状缩醛。反应采用环己烷回流，并通过Dean–Stark装置共沸移除生成的水。[10]

         图1 糠醛类与二醇形成环状缩醛的反应体系（原文Scheme 1）。

         图中给出了糠醛和5-甲基糠醛与乙二醇、1,2-丙二醇及1,3-丙二醇形成不同环状缩醛的结构关系，其中乙二醇和1,2-丙二醇形成五元1,3-二氧戊环结构，1,3-丙二醇形成六元1,3-二氧六环结构。图中反应条件标示为环己烷回流和质子化κ-卡拉胶催化；对应实验采用Dean–Stark装置共沸移除缩醛化生成的水。[10]

         图片来源： Natraj, R. S.; Dutta, S. RSC Advances 2026, 16, 4776–4787. DOI: 10.1039/D5RA10090A. © 2026 The Author(s). Published by the Royal Society of Chemistry. Creative Commons Attribution 3.0 Unported（CC BY 3.0）许可。

         缩醛和缩酮体系中的水移除还需要与底物共蒸同时考虑。部分醛、酮和醇在减压条件下也具有较高的气相迁移能力；降低体系压力可能在提高水移除能力的同时增加挥发性底物损失。旋转蒸发辅助缩醛和缩酮反应的条件设计因而需要兼顾水的持续移除和主要反应物的保留。

3.4 平衡响应与反应时间

         旋转蒸发辅助反应可能在较短操作时间内达到较高转化，但达到目标转化所需时间与单个化学基元步骤的速率常数并不是同一物理量。

旋转蒸发过程中可能同时发生：

         ①水及其他挥发组分持续减少；

         ②反应物和产物浓度改变；

         ③反应液总体积下降；

         ④实际液温变化；

         ⑤混合和传质状态变化。

         这些因素都会影响达到目标转化所需的总时间。

         现有旋转蒸发辅助脱水研究支持的是反应与挥发分离耦合后整体反应过程发生变化。单个基元反应是否发生动力学加速，需要独立的速率数据、动力学模型或活化参数加以判断。

4. 蒸发、冷凝与真空系统的过程耦合

4.1 挥发组分的持续净移除

         挥发组分从反应液进入气相后，还需要与原反应液有效分离并避免返回液相，才能形成持续的净移除。常规旋转蒸发过程中，挥发组分主要经冷凝后进入接收瓶。

         液相蒸发、蒸气输送和冷凝连续发生。蒸气产生能力高于冷凝和真空系统的处理能力时，实际体系压力可能发生波动，未充分冷凝的蒸气也可能进入真空系统。

         持续除水能力因而由蒸发端、冷凝端和真空系统共同决定。

4.2 蒸发负荷与冷凝能力

         蒸发过程吸收汽化所需热量，冷凝过程则需要将相应热量移出。提高浴温、降低压力或增加有效蒸发表面均可能提高蒸气产生量，同时增加冷凝器的热负荷。

对于旋转蒸发辅助反应，冷凝能力不足可能产生：

         ①实际操作压力偏离设定状态；

         ②蒸气进入真空泵的比例增加；

         ③挥发性反应物损失增加；

         ④溶剂或副产物回收效率下降。

         真空度、浴温和冷却条件因此属于相互关联的过程参数。

4.3 操作参数的过程功能

旋转蒸发辅助反应中，各操作参数对应不同的物理过程：

5. 旋转蒸发与Dean–Stark脱水的组分移除方式

5.1 Dean–Stark体系中的水分离

         Dean和Stark于1920年报道了用于测定石油及其他有机乳状液中水分的蒸馏分水方法，该类装置后来广泛用于有机合成中的连续除水。[11]

在典型反应中，反应液与适宜有机溶剂加热回流，水与有机溶剂共同进入蒸气相；冷凝液进入分水装置后发生液相分离，有机相重新返回反应烧瓶，水则被截留。

这一过程可概括为：

         共蒸 → 冷凝 → 水/有机相分离 → 有机相回流

         有机相循环使体系能够持续移除水，同时减少共沸剂的净损失。采用Dean–Stark捕水的批式反应精馏还受到热传递、溶剂回流以及挥发组分移除比例等过程参数影响。[12]

         Natraj和Dutta的糠醛缩醛化研究中，甲苯、苯和环己烷作为水移除介质时获得的目标缩醛产率约为90%、90%和92%。[10] 三者之间的产率差异较小。作者最终选择环己烷还考虑了回流温度以及所用质子化κ-卡拉胶催化剂在较高温度下的稳定性。

5.2 旋转蒸发体系中的单向组分移出

         旋转蒸发辅助脱水采用不同的物质循环方式。反应液中的挥发组分进入气相后，经冷凝进入接收瓶，通常不会自动返回反应烧瓶。

         这一差异使旋转蒸发过程中反应液的总体质量和组成持续改变。

两种方法的主要差异如下：

         两种方法都可以通过移除水改变可逆脱水反应的组成状态，但组分移出的物理方式不同。

         需要维持有机溶剂循环、且体系具有适宜共蒸和分相行为时，可以采用Dean–Stark方式；允许反应液随挥发过程持续浓缩，并能够控制反应物共蒸损失的体系，则具备采用旋转蒸发辅助方式的条件。

6. 旋转蒸发辅助反应的适用条件

6.1 化学平衡与挥发性副产物

适合采用连续组分移除的反应可概括为：

         A + B ⇌ P + V

         其中V代表能够从体系中持续移出的挥发性反应产物或副产物。

         当V在液相中的积累参与限制可逆反应的净转化时，持续降低其活度能够改变反应商，使体系产生相应的净反应响应。

目前已有实验研究支持的旋转蒸发辅助可逆脱水反应包括：

         ①羧酸与苄醇直接酯化；[2]

         ②环状缩醛形成；[1,3]

         ③环状缩酮形成。[3]

         水是这些反应中的挥发性副产物，但旋转蒸发用于反应—分离耦合的物理化学基础并不限于水。

         Kennedy等将旋转蒸发用于固定化南极假丝酵母脂肪酶B（Candida antarctica lipase B，CALB）催化的1-苯乙胺动力学拆分。外消旋1-苯乙胺以甲氧基乙酸甲酯为酰基供体，CALB选择性酰化其中的(R)-对映体，生成(R)-2-甲氧基-N-(1-苯乙基)乙酰胺，同时释放甲醇。[13] 反应以对伞花烃为溶剂，在旋转蒸发器中分别于200 mbar和常压条件下运行，水浴温度40 ℃，转速100 rpm。

         200 mbar条件下，反应生成的甲醇持续挥发移出。¹H NMR监测显示，代表1-苯乙胺的a信号逐渐降低，代表酰胺产物3的b信号逐渐升高；80 min内二者积分比达到约1:1，对应动力学拆分中约50%的外消旋胺被选择性转化。常压条件下反应明显较慢，5 h后仍未达到这一状态。[13]

         图2 减压旋转蒸发移除甲醇副产物对动力学拆分反应进程的影响（原文Figure 2）。 A：CALB催化1-苯乙胺动力学拆分，(R)-1-苯乙胺被选择性酰化生成酰胺3，同时形成甲醇；(S)-1-苯乙胺主要保留。B：200 mbar减压条件下的¹H NMR监测，a为1-苯乙胺手性中心质子信号，b为酰胺3手性中心质子信号，二者积分随反应进行发生相反变化。C：常压与200 mbar条件下的反应进程比较；实心点表示常压，空心点表示减压，绿色数据对应胺1，暗红色数据对应酰胺3，灰线表示动力学拆分约50%转化水平。[13]

         图片来源： Kennedy, L.; Mulholland, N.; Gomm, A.; Campopiano, D. J. ChemBioChem 2026, 27(6), e202500951. DOI: 10.1002/cbic.202500951. © 2026 The Authors. ChemBioChem published by Wiley-VCH GmbH. Creative Commons Attribution 4.0 International（CC BY 4.0）许可。

         该反应生成并移除的挥发性副产物为甲醇，不属于脱水反应。其与旋转蒸发辅助酯化、缩醛化和缩酮化具有相同的过程特征：反应生成与平衡相关的挥发性组分，减压条件促进该组分持续离开液相，反应液组成随之变化。当挥发性副产物的积累参与限制可逆反应，且副产物能够在关键反应物和产物损失可控的条件下持续移除时，这种组分移出可以改变反应商和反应液组成状态，并影响整体转化过程。

6.2 气液分离条件

         反应热力学允许连续移除副产物，并不意味着实际蒸发过程一定具有足够的分离效果。

需要同时评价：

         副产物移除速率提高时，挥发性反应物的损失也可能同步增加。适宜的旋转蒸发条件表现为副产物具有足够的净移除能力，同时关键反应物和目标产物的损失维持在可接受范围。

         Kennedy等的研究也体现了这一点：模型体系选择对伞花烃（p-cymene）作为反应介质，与其在200 mbar条件下相对不易蒸出有关，使甲醇副产物可以在保留主要反应介质的情况下持续移除。[13]

6.3 反应液状态与设备条件

连续蒸发还会改变反应液的浓度、黏度和相态。以下因素会影响实际操作：

7. 旋转蒸发辅助可逆脱水反应相关代表化学品：羰基底物、二醇、酯化底物、酸催化剂与过程介质

表2. 环状缩醛与缩酮构筑用二醇

表3. 缩醛与缩酮反应羰基底物

表4. 直接酯化与连续除水研究底物

         注：以上为阿拉丁代表性科研相关产品，具体用途应结合产品规格、批次COA及目标反应或评价体系确定。更多产品规格、级别和COA信息可用“品名/CAS/货号”在阿拉丁官网检索。

参考文献

[1] Chen, Y.; Wang, W.; Zhang, Q. Investigation of Factors Affecting the Rate of High-Boiling-Point Solvent Removal Using a Rotary Evaporator. Synlett 2024, 35(5), 598–602. DOI: 10.1055/s-0042-1751532.

[2] Chen, Y.; Wang, W.; Qin, H.; Liu, R.; Zhang, Q. Solvent-Free and under Vacuum O-Benzylation of Carboxylic Acids by Using a Rotary Evaporator. ChemistrySelect 2023, 8(47), e202304145. DOI: 10.1002/slct.202304145.

[3] Jiang, F.; Chen, Y.; Wang, W.; Zhang, Q. Rapid Cyclic Acetal and Cyclic Ketal Synthesis Assisted by a Rotary Evaporator. Synlett 2024, 35(18), 2138–2142. DOI: 10.1055/a-2293-3243.

[4] International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). Saturation Vapour Pressure. Compendium of Chemical Terminology (Gold Book), 5th ed., online version 5.0.0, 2025. DOI: 10.1351/goldbook.S05479.

[5] International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). Normal. Compendium of Chemical Terminology (Gold Book), 5th ed., online version 5.0.0, 2025. DOI: 10.1351/goldbook.N04211.

[6] International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). Raoult's Law. Compendium of Chemical Terminology (Gold Book), 5th ed., online version 5.0.0, 2025. DOI: 10.1351/goldbook.15349.

[7] International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). Activity. Compendium of Chemical Terminology (Gold Book), 5th ed., online version 5.0.0, 2025. DOI: 10.1351/goldbook.A00115.

[8] International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). Equilibrium Constant. Compendium of Chemical Terminology (Gold Book), 5th ed., online version 5.0.0, 2025. DOI: 10.1351/goldbook.E02177.

[9] Chatterjee, S.; Sugilal, G.; Prabhu, S. V. Heat Transfer in a Partially Filled Rotary Evaporator. International Journal of Thermal Sciences 2019, 142, 407–421. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2019.04.033.

[10] Natraj, R. S.; Dutta, S. High-Yielding and Scalable Synthesis of Furfural Acetals Using Protonated κ-Carrageenan as a Biorenewable Acid Catalyst. RSC Advances 2026, 16, 4776–4787. DOI: 10.1039/D5RA10090A. CC BY 3.0.

[11] Dean, E. W.; Stark, D. D. A Convenient Method for the Determination of Water in Petroleum and Other Organic Emulsions. Journal of Industrial & Engineering Chemistry 1920, 12(5), 486–490. DOI: 10.1021/ie50125a025.

[12] Figueroa, I.; Vaidyaraman, S.; Viswanath, S. Model-Based Scale-up and Design Space Determination for a Batch Reactive Distillation with a Dean–Stark Trap. Organic Process Research & Development 2013, 17(10), 1300–1310. DOI: 10.1021/op4001127.

[13] Kennedy, L.; Mulholland, N.; Gomm, A.; Campopiano, D. J. Biocatalysis Under Reduced Pressure; Two-Step, One-Pot Amide Synthesis Using an Immobilised Transaminase/Lipase Cascade in Combination With By-Product Removal. ChemBioChem 2026, 27(6), e202500951. DOI: 10.1002/cbic.202500951. CC BY 4.0.

更多相关文章，详见下方：

Burgess 试剂实验选型：醇脱水、一级酰胺/醛肟脱水与氧唑啉/噻唑啉环化的判断框架

腈基如何构建：直接引入、前体脱水、氧化/脱氢与无氰工艺的路线判断