时间: 2024-09-03 04:27:23 | 作者: 环保设备系列
传统的化学反应，特别是有机化学反应常常要溶剂作为媒介。然而，使用溶剂会带来系列问题，包括成本高、产率低等，而且还可能在反应过程中造成环境污染等问题。
那么，是否有可能改变这样的一种情况呢？最近，一项科学研究表明，不但可以做到在无溶剂的条件下进行化学反应，而且还实现了反应速率的提升。
美国纽约市立大学、宾夕法尼亚大学和加州大学默塞德分校团队合作，研发了一种不需要溶剂、具有普适性的新型力化学办法来进行化学品生产。该团队在实验中测试了 4 种反应物，反应速率平均提高了 14 倍[1]。
并且，研究人员发现只需要一点点压力就能加速反应的进行。“通过挤压分子，你可以使它产生令人难以置信的反应活性[2]。”该论文通讯作者、纽约市立大学的亚当·B·布伦瑞克（Adam B. Braunschweig）教授对媒体表示。
值得关注的是，实验中的压力是在小于 1MPa（106Pa，与大气压的数量级相当）的条件下进行的，而以往研究中往往需要在 GPa 量级（109Pa）。因此，新方法施加的压力仅为传统手段的千分之一。
该方法有望应用于生产新型药物和材料、医疗或其他工业用途等，并可能降低生产所带来的成本。某些化学反应在溶液中很难发生，在固态环境下则可以通过力来加速；在固态环境下进行化学反应，还能够显著减少对环境的污染。
纽约市立大学博士研究生耶尔詹· 兹霍尔达索夫（Yerzhan Zholdassov）为论文第一作者，纽约市立大学亚当·B·布伦瑞克（Adam B. Braunschweig）教授为论文通讯作者。
论文第二作者，宾夕法尼亚大学博士生袁李应邀介绍了该研究。袁李毕业于清华大学工程力学系，现就读于宾夕法尼亚大学机械工程与应用力学系，导师为罗伯特·W·卡皮克（Robert W. Carpick）教授。其主要研究方向为纳米尺度摩擦，包括二维材料的摩擦学性质、石墨烯自动剪纸等。
力等机械因素能加速固态环境下的化学反应，例如通过球磨机的摩擦、挤压、碰撞等作用加速反应进行。但是，该现象背后的机理尚不明确，特别是缺乏反应速率、反应条件、反应物特性之间关系的系统性研究。
为回答这一问题，研究团队选择狄尔斯-阿尔德反应作为研究对象，并使用了四种不同的亲二烯体和蒽作为二烯组分。狄尔斯-阿尔德反应为一步反应，反应过程无中间体，因而易于确定反应速率。
该团队设计了一个实验系统，通过浸有亲二烯体的压头阵列（30*30）与蒽基底接触实现化学反应，并采用荧光显微镜检测反应产物，从而在较短时间内高效获得大量数据。经过控制压头位移能改变反应界面的压力，进而能够研究力对反应速率的影响。
研究人员通过实验发现，在仅仅几个大气压的压力水平下，4 种反应物的反应速率平均可提高至原来的十余倍。
反应界面的真实压力是这一研究中的重要的条件。为解决这一问题，研究团队一方面通过实验手段测定了平均压力，另一方面采用数值模拟获得界面压力的分布情况。
模拟根据结果得出，反应物界面之间的压力分布虽然不完全均匀，但变化并不显著。随后，该团队通过原子力显微镜测量了蒽基底的表面形貌，发现其表面非常平坦，粗糙度在纳米级别。
“这些结果有助于说明反应速率的提升并不是局部压力峰值造成的，而确实是在较小的压力下发生的。”袁李表示。
在论文的投稿过程中，一个具有挑战性的问题是，如何通过传统的实验手段，对比验证新方法的结论。
该团队讨论之后，认为经典的实验手段（如球磨机/行星磨反应器）难以满足相关的实验要求，比如大量影响因素的耦合，无法施加单个方向的载荷等。
在该研究中，研究人员把力的因素单独提出来，进而排除了其他因素的干扰，单独研究压力或者某方向的压力对化学反应速率的影响。
袁李表示，这其实也正是团队的创新点所在，新的实验手段排除了力之外其他因素的干扰，并可以施加单轴应力，从而在仅仅几个大气压的压力水平下，就实现了化学反应速率的大幅度的提高，这是传统方法没办法做到的。
袁李解释道：“不同于大气压，也就是各个方向均匀的气压，我们的实验中施加的是特定方向的压力，这可能使得反应物分子发生了畸变，从而提升了反应活性。这一观点得到了密度泛函分析（Density function theory，DFT）计算结果的支持。”
该论文发表后受到了领域内的广泛关注。美国加州大学洛杉矶分校的保罗·魏斯（Paul Weiss）教授在Science 发表的评论文章中指出：“这一研究启发人们思考还有哪一些类型的反应可以用同样的方式加速。此外，通过选择性地弯曲或扭曲化学键以激活反应物或反应的中间体，将有望形成新的反应路径，从而为设计人员提供全新的合成策略 [3]。”
该研究揭示了力对于化学反应的加速机理，并证明了在施加单轴应力的条件下，分子的选择性畸变大幅度的提升了反应活性。“固态环境下的这一反应机理不同于溶液，这为有机合成设计提供了新思路。”袁李说。
未来，研究人能将很多传统的化学反应放在固态环境下进行尝试，采用类似于该研究的方式来进行实验，进一步确认相关反应速率，并有望降低化学品的生产所带来的成本。
