Vid kulfräsning, kemikalierna och en stålkula placeras i stålburkar som sedan skakas kraftigt. Kredit:Hokkaido University
Forskare har visat att mekanisk kraft kan starta kemiska reaktioner, göra dem billigare, mer allmänt tillämplig, och miljövänligare än konventionella metoder.
Kemiska reaktioner föranleds mest konventionellt genom att värma upp reaktionsblandningarna. Under de senaste tio åren, det har gjorts omfattande forskning om "fotoredox-katalysatorer" som kan aktiveras av synligt ljus och möjliggöra mycket specifika och effektiva kemiska reaktioner. Dock, dessa reaktioner kräver ofta en stor mängd skadliga organiska lösningsmedel, vilket gör dem tillämpliga endast på lösliga reaktanter.
Piezoelektriska material som bariumtitanat är kända för att generera elektriska potentialer när ett mekaniskt tryck appliceras på dem, det är därför de används i mikrofoner och tändare. I den aktuella studien publicerad i Vetenskap , forskargruppen ledd av Hajime Ito och Koji Kubota från Institute for Chemical Reaction Design and Discovery (WPI-ICReDD) vid Hokkaido University visade att denna elektriska potential också kan användas för att aktivera kemiska reaktioner. "I vårt system, vi använder den mekaniska kraften från en kulkvarn för att aktivera ett piezoelektriskt material för redoxreaktioner, samtidigt som man eliminerar användningen av organiskt lösningsmedel, säger Koji Kubota. De kallar det en mekanoredoxreaktion i motsats till en fotoredoxreaktion.
Reaktionsblandningar före och efter malning i en kulkvarn. Mechanoredox aryleringsreaktioner inträffade med aryldiazoniumsalter och furan i närvaro av ett piezoelektriskt material (BaTiO3). (Kubota K. et al. Science, 19 december, 2019) Kredit:Kubota K. et al. Vetenskap , 19 december, 2019
Teamet visade att elektriska potentialer som härrör från piezoelektriskt material (BaTiO3) aktiverar en förening som kallas aryldiazoniumsalter som genererar mycket reaktiva radikaler. Radikalerna genomgår bindningsbildande reaktioner såsom arylerings- och boryleringsreaktioner - som båda är viktiga i syntetisk kemi - med hög effektivitet. Teamet visade också att boryleringsreaktionen kunde ske genom att slå blandningen i en plastpåse med en hammare.
"Detta är det första exemplet på arylerings- och boryleringsreaktioner som använder mekaniskt inducerad piezoelektricitet, " säger Koji Kubota. "Vårt lösningsmedelsfria system som använder en kulkvarn har gjort det möjligt för oss att eliminera organiska lösningsmedel, gör reaktionerna lättare att hantera, mer miljövänlig, och tillämplig även på reaktanter som inte kan lösas i reaktionslösningsmedlet." De skulle också kunna återvinna bariumtitanatet och uppnå bättre utbyten än fotoredoxreaktioner, att ytterligare öka attraktiviteten för detta tillvägagångssätt.
"Vi undersöker nu avstämbarheten av den mekaniskt genererade elektriska potentialen. Tillsammans med beräkningsförutsägelser, vi strävar efter att utöka användbarheten av denna teknik, " säger Hajime Ito. "Vårt mål är att komplettera eller åtminstone delvis ersätta befintliga fotoredoxmetoder och tillhandahålla ett miljövänligt och kostnadseffektivt alternativ att användas i industriell organisk syntes."
