طراحی جدید راکتور سنتز مواد اولیه پلاستیکی را با استفاده از اکسیژن و الکتریسیته بهبود می بخشد

ویرایش شده توسط Gaby Clark، بررسی توسط Alexander Pol

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

یک "متغیر پنهان" که می تواند موفقیت یا شکست یک واکنش شیمیایی را تعیین کند در مجاورت الکترودها یافت شده است.

یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی Jaeyune Ryu، استاد دپارتمان مهندسی شیمی و بیولوژیکی در کالج مهندسی دانشگاه ملی سئول، روشی را برای بهبود کارایی و گزینش پذیری سنتز ترکیبات آلی با استفاده از اکسیژن و الکتریسیته با کنترل "PH محلی" یا اسیدیته در مجاورت الکترود ایجاد کرده است.

محققان بدون افزودن اکسیدان های پراکسید به طور جداگانه، لاکتون ها و اپوکسیدها را سنتز کردند که به عنوان مواد اولیه برای پلاستیک ها و مواد شیمیایی خوب عمل می کنند و از طریق طراحی راکتور که فاصله الکترودها و جریان الکترولیت را کنترل می کند، گزینش محصول هدف را از تقریبا 16٪ به 97٪ افزایش دادند.

ترکیبات مورد بررسی در این مطالعه ارتباط نزدیکی با مواد مورد استفاده در زندگی روزمره دارند. لاکتون ها به عنوان مواد اولیه برای پلاستیک های زیست تخریب پذیر و پلی یورتان ها استفاده می شوند، در حالی که اپوکسیدها مواد اولیه اصلی برای چسب ها، پوشش ها و رزین های اپوکسی مورد استفاده در مواد الکترونیکی هستند. هر دو به طور گسترده ای به عنوان واسطه در تولید داروها و مواد شیمیایی خوب استفاده می شوند. بنابراین، بهبود روش سنتز این ترکیبات پرکاربرد می تواند به توسعه فرآیندهای شیمیایی ایمن تر و پایدارتر کمک کند.

این یافته ها در مجله انجمن شیمی آمریکا منتشر شد.

الکتروسنتز آلی فناوری است که از الکتریسیته برای تولید ترکیبات آلی استفاده می کند. این به عنوان یک رویکرد جایگزین برای پردازش شیمیایی پایدار توجه را به خود جلب کرده است زیرا می تواند استفاده از عوامل اکسید کننده و کاهنده مورد نیاز در سنتز شیمیایی معمولی را کاهش دهد. با این حال، مطالعات قبلی عمدتا بر روی بهینه‌سازی شرایط محلول حجیم مانند ولتاژ، مواد الکترود و ترکیب الکترولیت متمرکز شده‌اند.

در مقایسه، محیط میکروسکوپی بلافاصله اطراف الکترود - جایی که مولکول ها در واقع الکترون ها را مبادله می کنند و تحت واکنش قرار می گیرند - توجه نسبتا کمی را به خود جلب کرده است.

محققان بر این احتمال تمرکز کردند که این محیط میکروسکوپی بتواند نتیجه یک واکنش سنتز را تعیین کند. هنگامی که پروتون‌ها در الکترود سریع‌تر از حمل و نقل از طریق محلول تولید یا مصرف می‌شوند، pH محلی می‌تواند به طور قابل‌توجهی با pH محلول توده متفاوت باشد. تیم دریافت که این تفاوت نه تنها بر تولید گونه‌های اکسیژن فعال مورد نیاز برای واکنش، بلکه بر واکنش پذیری مولکول‌های آلی و پایداری محصولات نیز تأثیر می‌گذارد.

سپس محققان راهی برای کنترل این محیط از طریق طراحی راکتور پیشنهاد کردند.

این تیم همچنین بررسی کردند که این پدیده تا چه حد ممکن است در الکتروسنتز آلی رخ دهد. پس از تجزیه و تحلیل بیش از 600 مقاله مرتبط منتشر شده از سال 2010، محققان دریافتند که در تقریبا 89 درصد از مطالعات مورد بررسی، واکنش های یک یا هر دو الکترود نه تنها شامل انتقال الکترون ها، بلکه پروتون ها یا یون های هیدروژن نیز می شود. این نشان می‌دهد که تغییرات موضعی در اسیدیته ممکن است به تعداد انگشت شماری از واکنش‌های تخصصی محدود نشود، بلکه می‌تواند متغیری باشد که باید در سراسر الکتروسنتز آلی به طور گسترده‌تری در نظر گرفته شود.

تفاوت ها در اندازه گیری های الکتروشیمیایی نیز واضح بود. حتی زمانی که محلول توده اسما خنثی بود، محیط نزدیک کاتد تقریبا با pH 11 قلیایی شد، در حالی که ناحیه نزدیک به آند با pH تقریبا 2.5 اسیدی شد. تحت چنین شرایط شدید محلی، عرضه گونه های اکسیژن فعال مورد نیاز برای واکنش می تواند کاهش یابد، شکل شیمیایی ماده اولیه می تواند تغییر کند، و تخریب محصول حاصل می تواند تسریع شود.

این توضیح می دهد که چرا تنظیم pH محلول حجیم به تنهایی کافی نیست و چرا محیط میکروسکوپی اطراف الکترود، جایی که واکنش در واقع در آن انجام می شود، نیز باید در نظر گرفته شود.

برای نشان دادن این اصل، محققان از اکسیداسیون Baeyer-Villiger به عنوان یک واکنش نماینده استفاده کردند. اکسیداسیون Baeyer-Villiger یک واکنش اکسیداسیون آلی است که یک اتم اکسیژن را به یک کتون وارد می کند تا آن را به یک استر یا لاکتون تبدیل کند. لاکتون ها، به ویژه، ترکیبات استری حلقوی هستند که به عنوان مواد اولیه برای موادی از جمله پلاستیک های زیست تخریب پذیر و پلی یورتان ها استفاده می شوند.

اکسیداسیون مرسوم Baeyer-Villiger اغلب به اکسیدان های بسیار واکنش پذیر مانند اسیدهای پراکسی متکی است که چالش هایی را در مدیریت معرف و درمان فرآورده های جانبی ایجاد می کند. به جای افزودن چنین اکسیدان هایی به صورت خارجی، محققان یک مسیر واکنش الکتروشیمیایی ایجاد کردند که در آن گاز اکسیژن در الکترود فعال می شود و یک اتم اکسیژن به یک مولکول آلی منتقل می شود. آزمایش‌های ردیابی ایزوتوپی تأیید کرد که اتم اکسیژن موجود در محصول از گاز اکسیژن به جای آب منشأ گرفته است.

محققان همچنین مسیری را شناسایی کردند که در آن گونه‌های اکسیژن فعال تولید شده توسط کاهش اکسیژن در کاتد، واکنش انتقال اکسیژن را آغاز می‌کنند، در حالی که پراکسید هیدروژن تولید شده در این فرآیند به گونه‌های اکسیژن فعال در آند تبدیل می‌شود. به عبارت دیگر، دو الکترود نقش‌های کاملا مجزا را انجام نمی‌دهند. بلکه آنها با هم کار می کنند تا عرضه گونه های فعال مورد نیاز برای واکنش را حفظ کنند. این تیم تایید کرد که این فرآیند به pH محلی بسیار حساس است و مبنای مکانیکی برای کنترل اسیدیته در نزدیکی الکترودها فراهم می‌کند.

محققان شبیه‌سازی‌های کامپیوتری را با اندازه‌گیری‌های الکتروشیمیایی ترکیب کردند تا تغییرات pH محلی را تجزیه و تحلیل کنند. بر اساس این یافته ها، آنها راکتوری طراحی کردند که فاصله بین الکترودها را کاهش می دهد و اجازه می دهد الکترولیت بین آنها جریان یابد. اصل این است که انحرافات شدید pH را با اجازه دادن به محیط اسیدی نزدیک آند و محیط قلیایی نزدیک کاتد برای متعادل کردن یکدیگر کاهش دهیم.

اثر این استراتژی کنترل به صورت کمی با تغییر فاصله الکترودها و شرایط جریان الکترولیت مورد ارزیابی قرار گرفت. در مقایسه با شرایطی که در آن انحرافات pH محلی کاهش نمی‌یابد، نسبت محصول هدف به طور انتخابی از تقریبا 16% به تقریبا 97% افزایش یافته است. مقدار تولید شده در واحد زمان نیز با افزایش نرخ جریان الکترولیت به طور پیوسته افزایش یافت، با اختلاف تقریبا 14 برابری بین کمترین و بالاترین نرخ جریان آزمایش شده.

هنگامی که فاصله الکترود از 20 میلی متر به 4 میلی متر کاهش یافت، سرعت تولید تقریبا 2.2 برابر افزایش یافت. قابل ذکر است، زمانی که محلول اجازه جریان یافتن نداشت، تقریبا هیچ یک از محصول مورد نظر به دست نمی آمد، حتی اگر ولتاژ و ترکیب محلول یکسان باقی بماند. این نتایج نشان می دهد که موفقیت یا شکست یک واکنش می تواند نه تنها به مواد الکترود و ولتاژ اعمال شده بلکه به محیط واکنش موضعی نیز بستگی داشته باشد.

تحت شرایط ایجاد شده از طریق این رویکرد، محققان لاکتون ها را از 18 ترکیب کتون سنتز کردند و محصول نماینده ε-کاپرولاکتون را با بازده 82 درصد به دست آوردند. ε-کاپرولاکتون ماده اولیه پلیمری زیست تخریب پذیر پلی کاپرولاکتون است که در مواد پزشکی از جمله بخیه های جراحی و سیستم های تحویل دارو استفاده می شود. همان اصل کنترل pH محلی برای سنتز اپوکسید نیز اعمال شد و محصولاتی از شش سوبسترای آلکن تولید کرد.

این امر پتانسیل اعمال این اصل را در سنتز طیف وسیعی از مواد اولیه شیمیایی، از جمله مواردی که در چسب‌ها، پوشش‌ها و رزین‌های مواد الکترونیکی استفاده می‌شود، نشان می‌دهد.

اهمیت این مطالعه در ایجاد یک مسیر واکنش و یک اصل طراحی راکتور برای سنتز ترکیبات آلی با استفاده از اکسیژن و الکتریسیته و در عین حال کاهش اتکا به اکسیدان های پراکسید اضافه شده خارجی است. به طور خاص، واکنش در دمای اتاق و فشار اتمسفر ادامه می یابد و نیاز به تجهیزات گرمایش یا فشار جداگانه را از بین می برد. از آنجایی که الکتریسیته به عنوان منبع انرژی عمل می کند، این رویکرد ممکن است پتانسیلی برای فرآیندهای شیمیایی آینده همراه با برق تولید شده از انرژی های تجدیدپذیر داشته باشد.

از دیدگاه صنعتی، کاربردهای بالقوه را می توان در زمینه هایی مانند واسطه های دارویی و مواد شیمیایی ریز بررسی کرد. از آنجایی که این محصولات ارزش افزوده بالایی دارند و نیاز به مدیریت ایمنی دقیق دارند، با مزایای فرآیندهای الکتروشیمیایی همسو هستند که می تواند بار ناشی از اکسیدان های خطرناک را کاهش دهد و با استفاده از تجهیزات نسبتا فشرده قابل استفاده باشد.

با این حال، بهینه سازی و اعتبارسنجی بیشتر فرآیند در مقیاس تولید قبل از کاربرد تجاری مورد نیاز خواهد بود. به طور گسترده تر، یک جنبه مهم این مطالعه این است که الکتروسنتز آلی را فراتر از بهینه سازی ولتاژ یا ترکیب محلول به سمت "طراحی محیطی که مولکول ها در آن واقعا واکنش نشان می دهند" گسترش می دهد. محققان انتظار دارند که در نظر گرفتن pH موضعی در سایر واکنش‌های الکتروسنتزی شامل انتقال پروتون می‌تواند فرصت‌های طراحی جدیدی را برای بهبود کارایی واکنش و انتخاب‌پذیری نشان دهد.

ریو، که سرپرستی این تحقیق را بر عهده داشت، گفت: "این مطالعه "PH محلی" نزدیک الکترود را از یک متغیر پنهان به یک اصل طراحی قابل کنترل تبدیل می کند. برای بهبود کارایی الکتروسنتز آلی، ما نه تنها باید بسترهای واکنش و کاتالیزورها را طراحی کنیم، بلکه باید محیطی را نیز طراحی کنیم که مولکول ها در آن واقعا واکنش نشان می دهند."

سونگهیون مین و جونگون لی، M.S. دانشجویان دپارتمان مهندسی شیمی و بیولوژیکی دانشگاه ملی سئول به عنوان اولین نویسندگان در این مطالعه شرکت کردند، در حالی که هانجو کیم، یک M.S/Ph.D. دانشجو، به عنوان نویسنده مشترک شرکت کرد. ریو بر این تحقیق نظارت داشت. مین و لی قصد دارند بر اساس تحقیقات خود در مورد الکتروسنتز آلی که محیط های واکنش محلی را در نظر می گیرد و کار خود را به سمت واکنش های الکتروشیمیایی و فرآیندهای قابل استفاده برای سنتز طیف گسترده ای از ترکیبات آلی گسترش دهند.

Seonghyeon Min و همکاران، کنترل pH محلی، الکتروسنتز انتقال اکسیژن-اتم را ترویج می‌کند، مجله انجمن شیمی آمریکا (2026). DOI: 10.1021/jacs.6c12994

اطلاعات مجله: مجله انجمن شیمی آمریکا

کارشناسی ارشد زبان انگلیسی، ویرایشگر کپی از سال 2021 با تجربه در آموزش عالی و محتوای بهداشتی. تقدیم به اخبار معتبر علمی. نمایه کامل →

دکتری مهندسی نانو از دانشگاه دلفت. محقق منتشر شده و داور مجلات. بینش علمی را به استانداردهای محتوا می رساند. نمایه کامل →