研究人员发现一种利用电力促进化学反应的方法

这项研究于1月2日发表在《自然-催化》（Nature Catalysis）杂志上，它是电化学领域的一个进步，为设计和控制反应--使其更具可持续性--指明了一条前进的道路。

"我们要做的是了解电极界面的基本情况，并以此来预测和设计更高效的化学反应，"该论文的资深作者、芝加哥大学诺伊鲍尔家族助理教授安娜-伍蒂格（Anna Wuttig）说。"这是向最终目标迈出的一步。"

Anna Wuttig 助理教授在芝加哥大学实验室。Wuttig 和她的团队找到了一种利用电力促进化学反应的方法，这种化学反应通常用于合成新的候选药物。图片来源：Jean Lachat

化学复杂性

在某些化学反应中，电能可以提高产量，而且由于可以从可再生能源中获得所需的电能，这可以成为使全球化学工业更加绿色环保的一部分。

但是，电化学（该领域的名称）尤其复杂。科学家们对分子间的相互作用还有很多不了解的地方，特别是因为你必须在混合过程中插入一个导电固体（电极）来提供电能，这就意味着分子与电极之间以及分子与分子之间都会发生相互作用。对于试图理清每个分子所扮演的角色和顺序的科学家来说，这使得本已复杂的过程变得更加复杂。

然而，Wuttig 希望把这一问题转化为优势。"她说："如果把它看作是电化学为我们提供了一个独特的设计杠杆，而这在任何其他系统中都是不可能实现的，那会怎么样呢？"

在这种情况下，她和她的团队把重点放在为反应提供电力的电极表面。有迹象表明，表面本身具有催化作用，它发挥着作用，"但我们不知道如何在分子水平上系统地控制这些相互作用"。

从左到右： 研究作者陈秋澄、安娜-伍蒂格和莎拉-克雷斯在芝加哥大学戈登综合科学中心伍蒂格的实验室。图片来源：芝加哥大学

他们研究了一种常用于制造医药化学品的反应，在两个碳原子之间形成一个键。

根据理论预测，当使用电力进行这种反应时，反应的产率应该是 100%，也就是说，所有进入反应的分子都会被制成一种新物质。但在实验室中实际进行反应时，产率却较低。

研究小组认为，电极的存在诱使一些分子在反应过程中偏离了它们需要的位置。他们发现，添加一种关键成分会有所帮助：添加到液体溶液中的一种名为路易斯酸的化学物质会重新引导这些分子，这可以得到近乎清洁的反应。

催化变化

此外，研究小组还能利用特殊的成像技术观察分子水平上的反应。"可以看到，调制剂的存在对界面结构产生了深远的影响，这让我们能够直观地了解正在发生的事情，而不是将其视为一个黑箱。"

伍蒂格说，这是至关重要的一步，因为它指明了一条不仅能在化学中使用电极，还能预测和控制其效果的前进道路。另一个好处是，电极可以在更多反应中重复使用。(在大多数反应中，催化剂溶解在液体中，在提纯过程中被排出，以获得最终产品）。

"如果把它看作是电化学为我们提供了一个独特的设计杠杆，而这在其他系统中是不可能实现的，那会怎么样呢？这是向可持续合成迈出的一步，"她说。"展望未来，我的研究小组很高兴能利用这些概念和策略来规划和解决其他合成难题。"