När världen går bort från gas mot elektricitet som en grönare kraftkälla, går att-göra-listan längre än bilar. Det stora globala tillverkningsnätverket som tillverkar allt från våra batterier till våra gödselmedel måste vända omkopplaren också.
En studie från kemister från UChicago hittade ett sätt att använda elektricitet för att öka en typ av kemisk reaktion som ofta används för att syntetisera nya kandidater för farmaceutiska läkemedel.
Publicerad 2 januari i Nature Catalysis , forskningen är ett framsteg inom området elektrokemi och visar en väg framåt för att designa och kontrollera reaktioner – och göra dem mer hållbara.
"Vad vi vill göra är att förstå vad som händer på den grundläggande nivån vid elektrodgränssnittet, och använda det för att förutsäga och designa mer effektiva kemiska reaktioner", säger Anna Wuttig, UChicago Neubauer Family Assistant Professor och senior författare på tidningen. "Detta är ett steg mot det slutliga målet."
I vissa kemiska reaktioner kan elektricitet öka produktionen – och eftersom du kan få den elektricitet som behövs från förnybara källor kan det vara en del av att göra den världsomspännande kemiska industrin grönare.
Men elektrokemi, som området är känt, är särskilt komplex. Det finns mycket forskare som inte vet om de molekylära interaktionerna, särskilt för att du måste infoga en ledande fast substans (en elektrod) i blandningen för att tillhandahålla elektricitet, vilket innebär att molekylerna interagerar med den elektroden såväl som med varandra. För en vetenskapsman som försöker reda ut rollerna varje molekyl spelar och i vilken ordning, gör detta en redan komplicerad process ännu mer komplicerad.
Wuttig vill dock vända detta till en fördel. "Tänk om du tänker på det som att elektrokemi ger oss en unik designspak som inte är möjlig i något annat system?" sa hon.
I det här fallet fokuserade hon och hennes team på ytan av elektroden som ger elektriciteten till reaktionen.
"Det fanns antydningar om att själva ytan är katalytisk, att den spelar en roll," sa Wuttig, "men vi vet inte hur man systematiskt kontrollerar dessa interaktioner på molekylär nivå."
De pysslade med en typ av reaktion som vanligtvis används vid tillverkning av kemikalier för medicin, för att bilda en bindning mellan två kolatomer.
Enligt teoretiska förutsägelser, när denna reaktion utförs med elektricitet, bör utbytet från reaktionen vara 100 % - det vill säga alla molekyler som gick in görs till ett enda nytt ämne. Men när du faktiskt kör reaktionen i labbet, blir utbytet lägre.
Teamet trodde att närvaron av elektroden frestade några av molekylerna bort från där de behövdes under reaktionen. De fann att tillsats av en nyckelingrediens kunde hjälpa:en kemikalie känd som en Lewis-syra tillsatt till den flytande lösningen omdirigerade dessa molekyler.
"Du får en nästan ren reaktion," sa Wuttig.
Dessutom kunde teamet använda speciella avbildningstekniker för att se reaktionerna utvecklas på molekylär nivå. "Du kan se att närvaron av modulatorn har en djupgående effekt på gränssnittsstrukturen," sa hon. "Detta tillåter oss att visualisera och förstå vad som händer, snarare än att betrakta det som en svart låda."
Detta är ett avgörande steg, sa Wuttig, eftersom det visar en väg framåt mot att inte bara kunna använda elektroden i kemi, utan också för att förutsäga och kontrollera dess effekter.
En annan fördel är att elektroden kan återanvändas för fler reaktioner. (I de flesta reaktioner löses katalysatorn i vätskan och dräneras bort under reningsprocessen för att få den slutliga produkten).
"Detta är ett steg mot hållbar syntes", sa hon. "Framåtriktad är min grupp mycket glada över att använda dessa typer av koncept och strategier för att kartlägga och ta itu med andra syntetiska utmaningar."
Mer information: Qiu-Cheng Chen et al, Gränssnittsinställning av elektrokatalytiska Ag-ytor för fragmentbaserad elektrofilkoppling, Nature Catalysis (2024). DOI:10.1038/s41929-023-01073-5
Journalinformation: Naturkatalys
Tillhandahålls av University of Chicago
