介绍了机械化学

使用的概念机械力化学反应启动-机械化学已经存在了数千年。它出现在文学在公元前4世纪,当希腊哲学家泰奥弗拉斯托斯描述与醋磨朱砂(硫化汞)铜杵和臼水银。在1820年,当英国科学家迈克尔·法拉第描述的干燥方式进行化学反应,很明显,使用石器和迫击炮的合成是一个经常使用的程序。

但尽管早期开始,机械化学的合成从未触及主流。化学反应现在几乎完全使用热启动,光或电。机械化学的合成卷土重来,然而,在很大程度上要归功于新兴可持续化学的兴趣。大多数机械化学技术使用很少或没有溶剂。溶剂是最大的质量(传统)化学反应和消除质量本质上使事情更环保,“解释道詹姆斯·麦克辛辛那提大学的化学教授在美国。

期待意想不到的

虽然可持续发展可能带来了人们机械化学的门,他们已经呆了两个额外的原因:它的效用和阴谋围绕它是如何工作的。一个可以执行化学反应之前没有访问,并使分子和材料,声称是不可能合成或隔离,”说Tomislav Friščić,加拿大蒙特利尔麦吉尔大学的化学教授。

原因之一是消除溶解度的限制,反应物在机械化学的反应不需要解散或被彼此相同的阶段。”,打开一个宇宙的起始原料,人们在之前如矿物、岩石、金属和纤维素的Friščić解释道。他的实验室最近加入Karine Auclair麦吉尔大学使用球磨机在无溶剂纤维素酶乳沟——目前一代生物乙醇从生物质麻烦的一步。葡萄糖浓度大于三倍多使用传统方法进行证明。¹团队也看着球工厂作为回收金属和工具最近发布了第一个无溶剂,室温贵金属转化为水溶性卤化物复合物和有机催化剂。²

球磨机是一个流行的工具选择机械化学的研究人员。广泛使用在各种尺寸和设计,这些设备包含一个或多个内部松散的球,粉碎任何船摇晃或旋转。压缩和剪切力都放在任何分子内部。球米尔斯已经使用商业上的非合成目的100多年,现在发现地方控制粒子大小的减少是必要的。他们无处不在的矿业、水泥、化工、制药、木材、陶瓷等行业。他们也广泛用于混合和混合,机械合金化。但是他们还没有商业化用于化学合成。

球工厂也正在检查他们潜在的使用迫使笨重的分子反应。它可以挑战获得一个阻碍使用传统化学、原子在分子麦克解释道。在机械化学,这些挑战是克服因为力量的压力一起移动。现在你可以很笨重的东西,你通常不能在解决方案。”他指出领导的合作费利佩•加西亚显示这个在新加坡南洋理工大学在2016年以前难以捉摸的合成tert-butylsubstituted adamantoid phosph (三世)azane P₄(N^t部)₆。³

非常有选择性的反应也证明了钢球磨煤机内,如合成highly-strained cyclopropenes通常不需要阻断组,防止副反应。麦克的实验室地面炔烃和diazoacetates一起在一个容器内衬银或铜箔——非均相催化剂。没有一个严格的额外的预防措施如惰性气氛是必需的。众多复杂cyclopropenes保护氨基和甲硅烷基组,需要保护的液相化学、合成高收益。⁴

把分子上的螺丝

球磨机不是唯一的物理力的方式在一个或多个分子反应;双螺杆挤出机是另一个合适的选择。这个设备包含两个螺丝的长和宽坐非常接近彼此,不沾,一桶内。

样品被放置在顶部的螺丝和螺丝旋转向下旅行,螺杆配置文件,旨在引起剧烈的混合在某些点沿其长度。这些被称为揉捏或混合区域,解释道斯图亚特·詹姆斯贝尔法斯特女王大学的化学教授在英国。”如果你有一切权利,材料将退出桶的结束,你可以有一个定量的反应没有使用任何溶剂。

与球米尔斯,挤出机施加压缩和剪切力的分子。的一部分吸引力不断是制造产品的能力。球米尔斯,相比之下,只有适合批量生产。詹姆斯建立一个分拆公司——财政部技术生产有机框架使用双螺杆挤压(mof)。财政部技术是第一个商业化化学合成使用双螺杆挤出,生产MOF速度每小时5公斤左右。⁵

与球工厂一样,这些仪器广泛应用商业等其他目的使谷物、薯片和披萨面团。你可以把披萨面团放在一个挤出机并添加在超临界二氧化碳中,它能使面团膨胀,“黛博拉·克劳福德解释说,詹姆斯集团博士后。它也广泛用于加工塑料和医药行业不断混合多个配方成分,她补充道。

詹姆斯和克劳福德也探讨了在有机合成中使用的双螺杆挤压。⁶他们展示了四个不同类型的缩合反应在大规模持续每小时(0.5公斤),无溶剂环境:诺文葛耳凝结,形成亚胺、醇醛反应和迈克尔加成。在许多情况下,由此产生的分子足够纯挤压后不需要净化。

他们还表明,它可以执行两个有机反应挤出机顺序——这一过程称为伸缩。⁷在挤出机的开始你喂两个反应物和设置它,这样可以完成之间的反应在第一桶的一半。然后您可以添加在第三个试剂一半,然后你可以做第二个反应在下半年的桶,”詹姆斯解释说。你也可以开始望远镜直接反应到另一个,避免孤立和净化的必要性。这是一个非常高效的做事方式。化学在解决方案,缩短反应通常被称为锅青蒿酸,并流行工业由于金钱和时间节约潜力。克劳福德说,他们希望将这项工作。

向未知的跳跃

而化学合成用双螺杆挤压会发现其商业的脚,这是广泛接受,机械化学已经很长一段路要走,才能发挥其全部潜力。承诺的一部分,它使不同反应途径访问使用热、光或电,但很少理解如何以及为什么这是可能的。没有一个坚实的理解机械能转化为化学反应,很难预测反应如何在这些条件下进行。

化学的规则在很大程度上是未知的,很多基本问题反应动力学和热力学机械化学的反应依然存在,Friščić解释道。”这些都是非常简单的问题,回答正常化学100多年前。

建立机械知识的一个关键部分是监控反应。这是挑战与球钢厂由于常数,暴力运动。此外,商用球钢厂使用固体金属或陶瓷容器和大多数实时监控工具为解决方案开发的化学反应——红外,紫外可见和拉曼光谱——需要一个透明的容器光照穿过。机械的研究对机械化学因此通常定期停止铣和分析反应混合物。这并不是适合所有的反应,然而,如空气敏感分子和自我维持的反应,继续一次铣削已经停止。

许多组织已经开发的技术允许原位实时监测在球磨机。工作与同事从英国、德国和克罗地亚,Friščić第一个在2013年出版。⁸我们曾与几组国际开发方法观察实时球磨机机械化学的反应,”他解释说。

团队里放置了一个定制的透明球磨机同步x射线源和测量粉末衍射模式内的反应。”,给了我们前所未有的洞察力不仅能看到什么东西在机械化学的反应,如非常不寻常的反应中间体或新材料或新结构,但它也给了我们一些很简单的问题的答案,如多快的产品形式,“Friščić说。第一篇论文看着MOF合成,也和他的实验室已经探索制药co-crystal形成药物配方。

Franziska艾默灵从联邦材料研究所和测试在柏林,德国,建立在这一概念观察机械化学的反应在一个透明的球磨机分析技术的结合。2015年,她出版的串联组合同步x射线衍射、拉曼光谱研究财政部和有机小分子合成和制药co-crystal形成球磨机。⁹我们用喇曼激光器和x射线束在同一点上我们的船,”艾默灵解释道。测量每15秒然后用这两个工具在整个反应。我们可以看到反应物消失和产品信号出现,”她说。有不同的优势和互补的技术,但使用两个最大的好处是能够比较他们的数据。如果这两种方法都告诉同样的事情然后你很确定你有正确的机制,“艾默灵说。她最近第三个分析技术-温度记录添加到设置允许温度同时收集信息。¹⁰

未来

所有研究人员在这个领域进一步同意,基本了解机械化学的反应是必要的,如果进行机械力将加入热、光和电尽可能发起者化学家可以考虑在规划一个新的反应。但也是必要的,更多的工具开发适合这份工作。

有大量的人使用的设备投资促进反应为基础的解决方案:搅棒,不同形状的玻璃瓶,冷凝器,旋转蒸发器,”麦克说。“我们在幼年阶段机械化学的工具;我们都做我们自己的工具。有些公司在董事会现在为我们制造工具,一旦这些工具都存在我们可以做那么多。机械化学的未来是光明的。

一位研究者的观点,未来如何看尼古拉斯Melosh斯坦福大学化学教授在加州,美国。他正在超出标准的机械化学的工具箱和设计无方向性的高压下分子的反应选择性。机械化学的更伟大的想法是使反应不可能通过其他手段,”Melosh说,如选择性反应,更高效的反应和无溶剂反应。球磨可以做一些事情但不是几乎所有。这项工作给我们一种不同的方法来得到这些不同的反应,”他解释说。

我们在幼年阶段的机械化学的工具

他的实验室开发了“分子铁”——与copper-sulfur核心分子,容易破裂,更强的有机配体。¹³当一个压缩力是应用于整个分子,它的目的是把负载不均。“就像铁砧一样。当你按分子,那些刚性部分相对移动和压缩之间的柔软部分,”Melosh说。压缩导致核心的键角变化和引起电子的转移从硫铜离子。金属铜纳米颗粒逐出分子。我们可以诱发化学反应在核心刚性部分不受影响,”他说。

如果加热,相同的分子会形成硫化铜(铜₂相反。计算机模拟被用来解释为什么机械力导致不同的反应结果。Melosh展示他的概念在不同的分子。我们表明,这是一个共同的主题,“他解释说。“现在我们看其他工业重要的重要反应。的实验目前正在进行钻石砧细胞,但最终无方向性的高压可能提供的方法——如惰性气体——更熟悉的行业。

而机械化学可能才刚刚步入大规模化学合成领域,其商业使用预计将增长和增长,更多的是使这些反应被理解和预测工具的贸易变得容易。

尼娜Notman位于索尔兹伯里的科学作家,英国