精选
能否利用这个思路，制作出能制备电解水制作氢气的无线工具，如果可以，这种低成本工具在氢气生物医学研究中，氢气农业氢气医学等方面都可能具有价值。
有机合成中的电化学反应通常需要复杂、专门的设备，这拖慢了该领域的发展进程。如今，微型发电机能够加快反应发现与研发的速度。
在《自然》杂志发表的一篇论文中，戈尔茨基等人报道了一些微小的、由光供能的装置，这些装置能够产生驱动微升规模电化学反应所需的电流。这些装置可用于并行开展数百个反应——例如，帮助寻找最佳反应条件、探索新反应的适用范围，或者制备化合物库。因此，这项创新技术解决了一个阻碍电化学在包括药物化学在内的多个领域应用的问题。
有机合成领域的核心目标是通过开发效率更高、更具可持续性且更巧妙的反应来构建日益复杂的有机分子。这些努力所取得的进展推动了材料、电子设备、农用化学品以及药物等方面的创新。传统上，新有机反应的研发涉及反复试验：依次开展一系列反应，对效果最佳的反应条件进行反复调整，直至以理想的产率和选择性生成目标产物。然而，这种方法可能耗时且耗费资源。
一种被称为高通量实验的技术平台对于快速研发反应已变得至关重要，尤其在制药行业更是如此。该技术涉及在矩形板上被称为微孔的小凹槽内开展微升规模的反应。矩形板通常长宽各为几厘米，往往包含96、384或1536个微孔——这样就能在不占用大量空间或使用大量试剂的情况下并行开展许多反应。当与机器人技术和自动化技术相结合时，高通量实验就成为了一种强大且高效的工具，可加快反应优化以及反应途径发现的速度。
高通量实验已应用于多种类型的反应，但迄今为止，对于由电流通过反应混合物来驱动的电化学过程而言，却一直难以实施。电化学因在进行涉及电子转移的合成氧化还原（ redox ）反应方面已变得颇受欢迎，因为相较于依赖含重金属的有毒试剂或催化剂的传统化学方法，它本身更安全且更具可持续性。然而，电化学反应很难在高通量平台上搭建，因为电极需要连接到能控制通过每个微孔的电流和电量的恒电位仪上。虽然已经研发出了能并行开展数十个电化学反应的方法，但要连接数百个小规模反应的线路是不切实际的；这是一个至今尚未解决的问题。
戈尔茨基等人报道了一项有望彻底改变有机电化学反应发现与研发的进展。他们找到了一种能在数百个微孔中进行电化学实验的方法，无需复杂昂贵的仪器，甚至无需使用电线。作者们使用了一种名为电化学合成用小型光电器件（SPECS）的微电子器件，这种器件能将光能转化为电流来驱动反应。
SPECS采用标准制造技术进行低成本制造。它们由在硅片上串联连接的光电二极管组件构成，配有两个板载电极来形成完整电路（图1）。当该器件受到光照时，电极两端会产生电势差，产生的电流与光的强度以及光电二极管的尺寸均成正比。电极材料也可以更换，这为反应研发提供了第三个电化学参数以供探索。戈尔茨基等人证明了SPECS可用于驱动多种电化学反应——包括氧化、还原以及氧化还原中性过程——涉及一系列反应机制。
图1 | 用于在高通量实验中驱动电化学反应的微型器件。化学家们常常在特制板的微孔中并行开展数百个微升规模的反应——例如，用于制备化合物库，或者测试新反应的试剂或催化剂。然而，电化学反应很难以这种方式开展，因为每个微孔都需要单独连接电极。戈尔茨基等人利用一种特制的微电子器件——电化学合成用小型光电器件（SPECS）解决了这一问题。这些器件的尺寸约为2×2×0.4毫米，由置于硅片上一对电极之间的光电二极管组件阵列构成。在每个微孔中放置一个器件，当受到光照时，SPECS就会产生驱动微孔内化学反应的电流。
作者们通过利用SPECS在一个电化学“胺化”反应中合成一个包含96种化合物的库展示了其高通量能力（见参考文献1的图3c）。利用这种电合成反应快速制备化合物库的能力对制药和农用化学品行业颇具吸引力。
研究人员还利用SPECS研发了两个新反应。第一个反应通过对一种名为信浓氧化（Shono oxidation）的过程（通常用于形成碳—氧键）进行改进来构建碳—氮键（见参考文献1的图4）。第二个反应则用于制备被称为硫亚胺（sulfilimines）的含硫和含氮化合物（见参考文献1的图5b）。这两个反应都是仅通过三组并行的高通量实验就完成了发现、优化以及适用底物探索的过程。
戈尔茨基等人表明，SPECS的耐用性极佳，多次使用后其性能几乎没有下降。这些器件能够耐受多种化学环境，包括强酸、强碱等恶劣环境。作者们还表明，在一个放大规模的反应中大约可以使用100个SPECS，该反应中反应物的摩尔数是仅使用一个SPECS器件的原始微升反应中反应物摩尔数的200倍。放大规模的反应所生成的产物产率与微升反应的产率相近——这表明SPECS技术的应用范围超出了高通量实验领域。
SPECS在学术和工业高通量应用方面都极具前景。一旦戈尔茨基等人将他们的技术商业化，我们预计它将加速反应发现与研发，使电合成成为一种比传统方法更高效、更环保地构建复杂有机分子的关键策略。
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自孙学军科学网博客。
链接地址：https://wap.sciencenet.cn/blog-41174-1468436.html?mobile=1
收藏
