隨著全球從使用天然氣轉向使用電力作為更環保的能源，要做的事情遠不止於汽車。從電池到化肥，龐大的全球製造網路也需要改變。芝加哥大學化學家的一項研究發現了一種利用電力促進化學反應的方法，這種化學反應通常用於合成新的候選藥物。

這項研究於1月2日發表在《自然-催化》（Nature Catalysis）雜誌上，它是電化學領域的進步，為設計和控制反應–使其更具永續性–指明了一條前進的道路。

“我們要做的是了解電極界面的基本情況，並以此來預測和設計更高效的化學反應，”該論文的資深作者、芝加哥大學諾伊鮑爾家族助理教授安娜-伍蒂格（Anna Wuttig ）說。”這是向最終目標邁出的一步。”

Anna Wuttig 助理教授在芝加哥大學實驗室。Wuttig 和她的團隊找到了一種利用電力促進化學反應的方法，這種化學反應通常用於合成新的候選藥物。圖片來源：Jean Lachat

化學複雜性

在某些化學反應中，電能可以提高產量，而且由於可以從再生能源中獲得所需的電能，這可以成為使全球化學工業更加綠色環保的一部分。

但是，電化學（該領域的名稱）尤其複雜。科學家對分子間的相互作用還有很多不了解的地方，特別是因為你必須在混合過程中插入一個導電固體（電極）來提供電能，這意味著分子與電極之間以及分子與分子之間都會發生相互作用。對於試圖理清每個分子所扮演的角色和順序的科學家來說，這使得本來就複雜的過程變得更加複雜。

然而，Wuttig 希望把這個問題轉化為優勢。”她說：”如果把它看作是電化學為我們提供了一個獨特的設計槓桿，而這在任何其他系統中都是不可能實現的，那會怎麼樣呢？”

在這種情況下，她和她的團隊把重點放在為反應提供電力的電極表面。有跡象表明，表面本身俱有催化作用，它發揮作用，”但我們不知道如何在分子層面上系統地控制這些相互作用”。

由左至右： 研究作者陳秋澄、安娜-伍蒂格和莎拉-克雷斯在芝加哥大學戈登綜合科學中心伍蒂格的實驗室。圖片來源：芝加哥大學

他們研究了一種常用於製造醫藥化學品的反應，在兩個碳原子之間形成一個鍵。

根據理論預測，當使用電力進行這種反應時，反應的產率應該是100%，也就是說，所有進入反應的分子都會被製成一種新物質。但在實驗室中實際進行反應時，產率卻較低。

研究團隊認為，電極的存在誘使一些分子在反應過程中偏離了它們所需的位置。他們發現，添加一種關鍵成分會有所幫助：添加到液體溶液中的一種名為路易斯酸的化學物質會重新引導這些分子，這可以得到近乎清潔的反應。

催化變化

此外，研究團隊還能利用特殊的成像技術觀察分子層面的反應。”可以看到，調製劑的存在對介面結構產生了深遠的影響，這讓我們能夠直觀地了解正在發生的事情，而不是將其視為一個黑盒子。”

伍蒂格說，這是至關重要的一步，因為它指明了一條不僅能在化學中使用電極，還能預測和控制其效果的前進道路。另一個好處是，電極可以在更多反應中重複使用。(在大多數反應中，催化劑溶解在液體中，在純化過程中被排出，以獲得最終產物）。

“如果把它看作是電化學為我們提供了一個獨特的設計槓桿，而這在其他系統中是不可能實現的，那會怎麼樣呢？這是向可持續合成邁出的一步，”她說。”展望未來，我的研究小組很高興能利用這些概念和策略來規劃和解決其他合成難題。”