Плазменная электрохимия предлагает новый способ образования органических химических связей

Инженеры-плазмологи и химики из Университета Иллинойса продемонстрировали устойчивый способ образования углерод-углеродных связей — основы всех органических соединений — без дорогостоящих редких металлов, которые обычно требуются в качестве катализаторов в органических реакциях, образующих связи.

По мнению исследователей, благодаря междисциплинарному сотрудничеству исследователи из Иллинойса в области ядерной, плазменной и радиологической инженерии, биоинженерии и химии объединили свой опыт для разработки этого нового подхода, не содержащего металлов, который может привести органическую химию в новом направлении. В исследовании, опубликованном в Журнале Американского химического общества, команда объясняет, как они использовали электричество и плазменно-жидкостный процесс для генерации сольватированных электронов для образования углерод-углеродных связей в реакции сочетания пинакола. Образование связей CC широко используется в производстве многих искусственных химикатов, таких как фармацевтические препараты и пластмассы.

По словам исследователей, это первый пример сольватированных электронов, генерируемых плазмой, для реакции окислительно-восстановительного соединения органических веществ, и он предлагает устойчивое решение для аналогичных восстановительных органических реакций. Обычно для таких реакций требуются металлические реагенты или катализаторы, которые не только дефицитны и дороги, но также создают проблемы с безопасностью или экологией, а иногда требуют тепла в реакционном процессе.

«Нашему процессу действительно требуется только электричество — помимо реакторной ячейки и оборудования — и, мы надеемся, в будущем оно может быть получено из возобновляемых источников, таких как ветер, солнечная или ядерная энергия, поэтому весь процесс является устойчивым», — сказал соавтор исследования Р. Мохан. Шанкаран, профессор инженерных наук Дональда Биггара Уиллетта на кафедре ядерной, плазменной и радиологической инженерии.

Шанкаран сказал, что их процесс производит электроны из газообразного аргона, а затем вводит эти электроны в раствор для генерации сольватированных электронов, мощного химического соединения, обычно образующегося в результате радиолиза, что требует сложного оборудования.

«В нашем случае сольватированные электроны генерируются с помощью источника постоянного тока и относительно простого электролизного реактора, в котором находятся наши электроды и раствор, в котором находятся органические субстраты», — сказал Шанкаран, чья группа уже более года разрабатывает плазму атмосферного давления. десятилетие, а в предыдущей работе применил этот тип плазменно-жидкостного процесса к другим приложениям - синтезу наночастиц и фиксации азота. «Нас интересовала органическая химия, но у нас не было опыта ни в методах, ни в характеристиках».

Шанкаран, который обратился к Джеффри С. Муру, профессору-исследователю в области химии, за экспертизой, сказал, что этот проект был бы невозможен без сотрудничества.

«По большей части это химия – то, чем моя группа не занимается – и мы не смогли бы добиться успеха, если бы у нас не было кого-то с необходимым химическим образованием», – сказал Шанкаран.

Цзянь Ван, ведущий автор исследования и научный сотрудник группы Мура, привнес в проект свой опыт в области химии и материаловедения и работал с экспертом по плазме Скоттом Дубовски, соавтором исследования и научным сотрудником группы Шанкаран, чтобы изучить плазменно-жидкостный процесс, а затем определить органическую реакцию для изучения.

Ван экспериментировал с различными органическими субстратами, характеризуя реакции с использованием различных аналитических методов, и в конечном итоге выбрал соединение пинакола, поскольку это хорошо зарекомендовавшая себя реакция образования углерод-углеродных связей и реакция, которая, по их мнению, могла бы работать с процессом плазменной жидкости. Мэтью Конфер, еще один соавтор и постдокторант из группы Рохита Бхаргавы, профессора биоинженерии и сотрудника факультета химии, использовал свой опыт в области вычислительной химии, чтобы смоделировать, как продукт пинакола образовывался в результате химии сольватированных электронов и радикальных реакций.

«Это отличная иллюстрация золотого правила успешного сотрудничества: лучшие сотрудники разделяют общую цель, но привносят разный опыт», — сказал Мур, профессор-исследователь Стэнли О. Икенберри, почетный профессор химии и профессор Медицинского института Говарда Хьюза.