Влияние электричества на химический синтез

Ученые Чикагского университета разработали способ улучшить химические реакции при производстве лекарств с помощью электричества. Этот прорыв в электрохимии, повышающий эффективность и устойчивость, открывает новые возможности в производстве «зеленой» химии. Фото: SciTechDaily.com

Химики Чикагского университета надеются заложить основу для более экологичной химии.

Поскольку мир переходит от газа к электричеству как более экологичному источнику энергии, список дел выходит за рамки автомобилей. Обширная глобальная производственная сеть, которая производит все, от аккумуляторов до удобрений, тоже должна переключиться.

Исследование, проведенное химиками Калифорнийского университета в Чикаго, позволило найти способ использовать электричество для ускорения химической реакции, часто используемой при синтезе новых кандидатов на фармацевтические препараты.

Исследование, опубликованное 2 января в журнале Nature Catalice, является достижением в области электрохимии и показывает путь вперед к разработке и контролю реакций, а также к тому, чтобы сделать их более устойчивыми.

«То, что мы хотим сделать, — это понять, что происходит на фундаментальном уровне на границе раздела электродов, и использовать это для прогнозирования и разработки более эффективных химических реакций», — сказала Анна Вуттиг, доцент Калифорнийского университета в Чикаго и старший автор статьи. «Это шаг к этой конечной цели».

Ассистент Профессор Анна Вуттиг в своей лаборатории в Чикагском университете. Вуттиг и ее команда нашли способ использовать электричество для ускорения химической реакции, часто используемой при синтезе новых кандидатов на фармацевтические препараты. 1 кредит

Химическая сложность

В некоторых химических реакциях электричество может повысить производительность, а поскольку необходимое электричество можно получить из возобновляемых источников, это может стать частью повышения экологичности мировой химической промышленности.

Но электрохимия, как ее называют, особенно сложна. Ученые многого не знают о молекулярных взаимодействиях, особенно потому, что вам нужно вставить в смесь проводящее твердое вещество (электрод), чтобы обеспечить электричество, а это означает, что молекулы взаимодействуют с этим электродом так же, как друг с другом. Для ученого, пытающегося разобраться в том, какую роль и в каком порядке играет каждая молекула, это делает и без того сложный процесс еще более сложным.

Однако Вуттиг хочет превратить это в преимущество. «Что, если вы думаете об этом как об электрохимии, предоставляющей нам уникальный конструктивный рычаг, который невозможен ни в одной другой системе?» она сказала.

В данном случае она и ее команда сосредоточились на поверхности электрода, обеспечивающего реакцию электричеством.

• «Были намеки на то, что сама поверхность является каталитической, что она играет определенную роль», — сказал Вуттиг, — «но мы не знаем, как систематически контролировать эти взаимодействия на молекулярном уровне».

Слева направо: авторы исследования Цю-Ченг Чен, Анна Вуттиг и Сара Кресс в лаборатории Вуттига в Центре интегративных наук Гордона при Чикагском университете. Кредит: Чикагский университет.

Они придумали тип реакции, который обычно используется в производстве химических веществ для медицины, чтобы образовать связь между двумя атомами углерода.

Согласно теоретическим предсказаниям, когда эта реакция осуществляется с использованием электричества, выход реакции должен составлять 100%, то есть все вошедшие молекулы превращаются в одно новое вещество. Но когда вы действительно проводите реакцию в лаборатории, выход оказывается ниже.

Команда считала, что наличие электрода отвлекает некоторые молекулы от того места, где они необходимы во время реакции. Они обнаружили, что добавление ключевого ингредиента может помочь: химическое вещество, известное как кислота Льюиса , добавленное в жидкий раствор, перенаправило эти молекулы.

• «Вы получаете почти чистую реакцию», — сказал Вуттиг.

Катализация перемен

Более того, команда смогла использовать специальные методы визуализации, чтобы наблюдать за реакциями, разворачивающимися на молекулярном уровне.

• «Вы можете видеть, что присутствие модулятора оказывает глубокое влияние на структуру интерфейса», — сказала она.
• «Это позволяет нам визуализировать и понимать, что происходит, а не рассматривать это как черный ящик».

По словам Вуттига, это решающий шаг, поскольку он показывает путь вперед к возможности не только использовать электрод в химии, но также прогнозировать и контролировать его эффекты.

Еще одним преимуществом является то, что электрод можно повторно использовать для большего количества реакций. (В большинстве реакций катализатор растворяется в жидкости и удаляется в процессе очистки для получения конечного продукта).

• «Что, если вы думаете об этом как об электрохимии, предоставляющей нам уникальный конструктивный рычаг, который невозможен ни в одной другой системе?»

— Аст. Профессор Анна Вуттиг

• «Это шаг к устойчивому синтезу», — сказала она. «В дальнейшем моя группа очень рада использовать подобные концепции и стратегии для планирования и решения других синтетических задач».

Первым автором был постдокторант Цю-Чэн Чен; другими авторами статьи были студенты бакалавриата Сара Кресс и Рокко Молинелли.

Источник

Метки: Катализаторы