等离子体电化学提供了形成有机化学键的新方法

伊利诺伊大学的等离子体工程师和化学家已经展示了一种形成碳-碳键(所有有机化合物的基石)的可持续方法，而无需在成键有机反应中通常需要作为催化剂的昂贵稀有金属。

研究人员表示，通过跨学科合作，伊利诺伊州核，等离子体和放射工程，生物工程和化学的研究人员结合了他们的专业知识，开发了这种新型的无金属催化剂方法，可以将有机化学引向新的方向。

在发表在《美国化学学会杂志》上的“通过频哪醇偶联形成碳 - 碳键的等离子体电化学”研究中，该团队解释了他们如何使用电和等离子体 - 液体过程产生溶剂化电子以在频哪醇偶联反应中形成碳 - 碳键。C-C键形成广泛用于生产许多人造化学品，如药品和塑料。

据研究人员称，这是等离子体产生的溶剂化电子用于有机氧化还原偶联反应的第一个例子，并为类似的还原性有机反应提供了可持续的解决方案。通常，此类反应需要的金属试剂或催化剂不仅稀缺且昂贵，而且还存在安全或环境问题，有时在反应过程中需要热量。

“我们的过程只需要电力 - 除了反应堆电池和设备 - 并且在未来希望这可以来自风能，太阳能或核能等可再生能源，因此整个过程是可持续的，”该研究的共同作者R. Mohan Sankaran说，Donald Biggar Willett核，等离子体和放射工程系工程学教授。

Sankaran说，他们的过程从氩气中产生电子，然后将这些电子注入溶液中以产生溶剂化电子，这是一种通常由放射解产生的强大化学物质，需要复杂的设备。

“在我们的案例中，溶剂化电子仅由直流电源和一个相对简单的电解反应器产生，该反应器容纳我们的电极和我们拥有有机基底的溶液，”Sankaran说，他的团队已经开发了十多年的大气压等离子体，并且在以前的工作中，已经将这种类型的等离子体 - 液体工艺应用于其他应用 - 纳米颗粒合成和固氮。“我们对有机化学很好奇，但我们在方法或表征方面都没有专业知识。

桑卡兰向化学研究教授杰弗里·S·摩尔(Jeffrey S. Moore)寻求专业知识，他说，如果没有合作，这个项目是不可能的。

“其中大部分是化学 - 我的团队不做的事情 - 如果没有具有必要化学背景的人，我们不可能成功，”桑卡兰说。

该研究的主要作者，摩尔小组的博士后助理Jian Wang将他在化学和材料科学方面的专业知识带到了该项目中，并与Sankaran小组的研究合著者和研究科学家等离子体专家Scott Dubowsky合作，学习等离子体 - 液体过程，然后确定有机反应进行研究。

Wang尝试了不同的有机底物，使用各种分析技术表征反应，最终选择了频哪醇偶联，因为它是碳-碳键形成的成熟反应，并且他们认为可以与等离子体液体过程一起使用。Matthew Confer是另一位合著者，也是生物工程教授Rohit Bhargava小组的博士后研究员，他是化学系的教职员工，他利用他的计算化学专业知识来模拟频哪醇产物是如何从溶剂化电子化学和自由基反应中形成的。

“这很好地说明了成功合作的黄金法则：最好的合作者拥有共同的目标，但带来不同的专业知识，”摩尔，斯坦利O.伊肯伯里研究教授，化学名誉教授和霍华德休斯医学研究所教授说。

Sankaran解释说，有一些研究将血浆用于有机反应，但反应和机制是不同的。

“等离子体通常用于氧化化学物质，等离子体产生的化学物质是活性氧。在我们的案例中，我们研究的反应是需要电子(或溶剂化电子)的还原，并且还原导致新的碳 - 碳键的形成，“Sankaran说。

他们的下一步将是将他们的过程应用于另一种有机化学反应，并表明这种方法是通用的，可以应用于不同的反应。

“我们也希望找到一种难以进行的反应，因为它的产率低，需要恶劣的条件，或者没有活性金属，”Sankaran说，他还解释说，他们希望解决他们的研究揭示的一个问题 - 产率可能受到传质限制的限制。“我们的反应发生在等离子体和溶液的界面处，为了使基底到达界面，它必须扩散。我们可以通过结合液体流动来解决这个问题，这将增强对流的质量传递。液体流动也有可能帮助我们扩大工艺规模，从而可以连续生产产品。

Wang说，等离子体电化学作为更传统的有机合成的替代品的一个特殊挑战是等离子体的能量如此之高。

“虽然我们能够实现相对良好的产量和选择性，但控制仍然不如传统的金属催化剂化学，或电催化或光催化化学品，”王说。“我们现在正在努力提高可控性和选择性。

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