Ved at bruge elektricitet finder forskerne lovende ny metode til at øge kemiske reaktioner

Efterhånden som verden bevæger sig væk fra gas mod elektricitet som en grønnere strømkilde, rækker to-do-listen ud over biler. Det enorme globale produktionsnetværk, der laver alt fra vores batterier til vores gødning, skal også skifte kontakt.

En undersøgelse fra UChicago-kemikere fandt en måde at bruge elektricitet til at booste en type kemisk reaktion, der ofte bruges til at syntetisere nye kandidater til farmaceutiske lægemidler.

Udgivet 2. januar i Nature Catalysis , forskningen er et fremskridt inden for elektrokemi og viser en vej frem til at designe og kontrollere reaktioner – og gøre dem mere bæredygtige.

"Det, vi ønsker at gøre, er at forstå, hvad der sker på det grundlæggende niveau ved elektrodegrænsefladen, og bruge det til at forudsige og designe mere effektive kemiske reaktioner," sagde Anna Wuttig, UChicago Neubauer Family Assistant Professor og seniorforfatter på papiret. "Dette er et skridt mod det endelige mål."

Kemisk kompleksitet

I visse kemiske reaktioner kan elektricitet øge produktionen – og fordi du kan få den nødvendige elektricitet fra vedvarende kilder, kan det være en del af at gøre den verdensomspændende kemiske industri grønnere.

Men elektrokemi, som feltet er kendt, er særligt kompleks. Der er meget, forskerne ikke ved om de molekylære interaktioner, især fordi du skal indsætte et ledende fast stof (en elektrode) i blandingen for at levere elektricitet, hvilket betyder, at molekylerne interagerer med den elektrode såvel som med hinanden. For en videnskabsmand, der prøver at løse de roller, hvert molekyle spiller og i hvilken rækkefølge, gør dette en allerede kompliceret proces endnu mere kompliceret.

Wuttig ønsker dog at gøre dette til en fordel. "Hvad hvis du tænker på det som elektrokemi, der giver os et unikt designhåndtag, som ikke er muligt i noget andet system?" sagde hun.

I dette tilfælde fokuserede hun og hendes team på overfladen af ​​elektroden, der leverer elektriciteten til reaktionen.

"Der var antydninger om, at overfladen i sig selv er katalytisk, at den spiller en rolle," sagde Wuttig, "men vi ved ikke, hvordan man systematisk kontrollerer disse interaktioner på molekylært niveau."

De puslede med en type reaktion, der almindeligvis bruges til fremstilling af kemikalier til medicin, for at danne en binding mellem to kulstofatomer.

Ifølge teoretiske forudsigelser, når denne reaktion udføres ved hjælp af elektricitet, skal udbyttet fra reaktionen være 100 % - det vil sige, at alle de molekyler, der gik ind, laves til et enkelt nyt stof. Men når du rent faktisk kører reaktionen i laboratoriet, er udbyttet lavere.

Holdet troede, at tilstedeværelsen af ​​elektroden fristede nogle af molekylerne væk fra det sted, hvor de var nødvendige under reaktionen. De fandt ud af, at tilføjelse af en nøgleingrediens kunne hjælpe:et kemikalie kendt som en Lewis-syre tilsat til den flydende opløsning omdirigerede disse molekyler.

"Du får en næsten ren reaktion," sagde Wuttig.

Katalyserende forandring

Desuden var holdet i stand til at bruge specielle billeddannelsesteknikker til at se reaktionerne udfolde sig på molekylært niveau. "Du kan se, at tilstedeværelsen af ​​modulatoren har en dybtgående effekt på grænsefladestrukturen," sagde hun. "Dette giver os mulighed for at visualisere og forstå, hvad der sker, i stedet for at betragte det som en sort boks."

Dette er et afgørende skridt, sagde Wuttig, fordi det viser en vej frem mod at være i stand til ikke kun at bruge elektroden i kemi, men også til at forudsige og kontrollere dens virkninger.

En anden fordel er, at elektroden kan genbruges til flere reaktioner. (I de fleste reaktioner er katalysatoren opløst i væsken og drænes væk under rensningsprocessen for at få det endelige produkt).

"Dette er et skridt mod bæredygtig syntese," sagde hun. "Fremover er min gruppe meget begejstret for at bruge disse typer af koncepter og strategier til at kortlægge og adressere andre syntetiske udfordringer."

Flere oplysninger: Qiu-Cheng Chen et al., Grænsefladejustering af elektrokatalytiske Ag-overflader til fragmentbaseret elektrofilkobling, Naturkatalyse (2024). DOI:10.1038/s41929-023-01073-5

Journaloplysninger: Naturkatalyse

Leveret af University of Chicago