控制化学反应的电气开关

新的药品、更清洁的燃料、可生物降解的塑料：为了满足社会的需求，化学家必须开发新的合成方法以获得自然状态下不存在的新产品。日内瓦大学 (UNIGE) 的一个研究小组与卡迪夫大学合作，发现了如何利用外部电场来控制和加速化学反应，就像“开关”一样。这项工作将在《科学进展》中阅读 ，可能会对新分子的开发产生相当大的影响，不仅可以实现更环保的合成，而且可以非常简单地对化学反应进行外部控制。

在化学中，用更简单的试剂创建复杂的有机化合物被称为“有机合成”。通过连续的反应，化学家组装小分子，最终形成所需的产品。有机合成对于药物、聚合物、农用化学品、颜料和香料的制造至关重要。这些连续的步骤控制起来极其精确和微妙。为了限制所需的资源，每个反应步骤的产率应该是最佳的。对这些反应实现更好的控制和更简单的操作仍然是一个主要的研究挑战。

“任何分子转变都是电子(带负电的基本粒子)从分子中的一个位置移动到另一个位置的结果，”UNGE 理学院有机化学系教授、国家中心成员 Stefan Matile 解释道。研究能力(NCCR)分子系统工程博士，领导了这项研究。电子会受到外部电场的影响。因此，理论上可以通过电控制化学反应。虽然原理简单并且在影响方面很有希望，但这种方法遇到了一些限制，而且它的少数实现表现不佳。

期待已久的突破

Stefan Matile 和他的卡迪夫大学同行 Thomas Wirth 教授通过他们的团队成功地用简单的电场激活了有机化学反应。为此，他们设计了一种电化学微流体反应器。他们的结果清楚地表明了化学反应的进展状态与所施加电场的强度之间的依赖性。该装置只需按下开关即可激活化学反应。

“这种类型的反应器采用小盒子的形式，其中反应混合物可以在产生电场的两个电极之间循环。电极是 5 厘米 x 5 厘米的方形板，尽可能靠近放置。它们被四分之一毫米厚的薄片隔开。该片包含用于在电极之间循环分子的流动通道，”Stefan Matile 小组的博士生、该论文的第一作者 Ángeles Gutiérrez López 解释道。

电极上涂有碳纳米管。当它们流经反应器时，反应物与碳纳米管发生微弱的相互作用，使它们暴露在电场中。这会引起分子中的电子极化，从而激活化学转化。

走向更绿色的化学反应激活?

为了以高产率产生所需的化学键，化学家通常实施涉及大量中间体的复杂的多步骤策略。这些战略需要重要的资源和能源。Stefan Matile 和 Thomas Wirth 提出的新型电气装置可以简化这些策略，从而减少化学合成的碳影响。

该装置具有易于控制的优点。“我们的‘反应堆’在某些方面类似于日内瓦欧洲核子研究中心的粒子加速器，但它不是加速亚原子粒子，而是在分子转变过程中加速电子，”Stefan Matile 解释道。仍需要取得根本性进展才能释放该设备的全部潜力。然而，这种方法可以在不久的将来应用于有机化学，使药物、新燃料或新塑料的生产更加环保、更加可控。

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