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川大等发表《Science》评述性文章 展望Mechanoredox催化前景

来源:材料科学与工程微信公众号|

发表时间:2019-12-27

点击:11258

文章来源:四川大学


12月20日,国际著名学术期刊《Science》发表了四川大学高分子材料工程国家重点实验室/高分子研究所夏和生教授(夏和生教授为该论文第一作者,四川大学为该论文第一单位)与西北工业大学柔性电子研究院王振华博士合作撰写的题为“Piezoelectricity drives organic synthesis:Ball milling allows for solvent-free mechanoredox catalysis”的perspective评述论文(Science, 2019, 366, 1451-1452)。结合近年来力化学领域的新进展,对当期Kubota等发表的Science论文“Redox Reactions of Small Organic Molecules Using Ball Milling and Piezoelectric Materials (Science , 2019, 366, 1500-1504)”研究工作进行了评述和展望。


论文链接:https://science.sciencemag.org/content/366/6472/1451.summary




评述论文指出,力化学目前正处于一个价值重新发现和研究复兴时期。力化学可以改变反应路径,制备常规热、光活化方法难以制备的材料,同时可以减少有机溶剂使用,为绿色化学提供新途径。力化学的模拟计算可为化学键的断键机理提供深层次的理解。通常力化学产生自由基需要高能球磨、超声或水力空化以实现有机分子或聚合物共价键裂解,反应环境较为极端,难以实现规模化。在过去十年里,力化学领域一个新的发展趋势是采用更温和的方法,如双螺杆挤出、常规搅拌、压缩和拉伸等。这些较温和的方法很容易实现,但通常需要结合新的化学概念如含弱键的力敏基团mechanophore,以及新材料如金属-有机络合物(MOF)等。


压电材料在应力作用下变形发生表面电荷富集,可以高效地将机械能转化为化学能,为力化学反应提供一种新的温和方式。近年来,研究人员发现在超声机械力作用下,压电材料可以促进电子转移实现染料降解和可控ATRP聚合。Kubota等Science论文率先提出采用普通的压电陶瓷材料如钛酸钡BaTiO3等作为有机合成的力氧化还原催化剂(Mechanoredox)。作者通过球磨BaTiO3粒子实现单电子转移(SET)氧化还原反应,成功地进行了各种芳基重氮盐的力氧化还原活化,实现了呋喃类化合物的芳基化反应和硼基化反应,与光催化氧化还原反应相比,力催化能在较短的时间内达到更高的产率。




评述文章结合近年来力化学领域的进展展望了Mechanoredox催化的前景。力化学广泛应用于包括纳米粒子制备、有机和聚合物合成、聚合物加工、塑料或橡胶回收、电化学储能、水处理、药物共晶合成、金属有机络合物、石墨烯剥离、碳纳米管切割、动态共价化学键性能调控、自修复等众多领域。力催化氧化还原开辟了一条适用于多种有机氧化还原反应的力化学新途径,可以扩展到与自由基相关的化学领域,如聚合、接枝和交联反应、降解和回收等。


夏和生教授课题组多年来在力化学领域取得了多项成果,早期在王琪院士指导下提出超声原位聚合制备聚合物纳米复合材料(Chem Mater, 2002, 14, 2158; Chem Mater, 2003, 15, 3879); 近年来将Mechanophore概念引入到嵌段共聚物中,实现超声力化学控制药物释放(Chem. Commun., 2010, 46, 7739; Chem. Commun., 2014, 50, 3575; Therapeutic Ultrasound (book chapter), 2016, 880, 365); 提出超声力化学实现自修复的策略(J. Mater. Chem., A, 2014, 2, 16051. Front Chem, 2019, 7, 59)。开发了多种含压电材料在内的超声力化学可控ATRP聚合新型催化体系 (ACS Macro Lett., 2017, 6, 546; Macromolecules, 2017, 50, 7940; ACS Macro Lett., 2018, 7, 275; ACS Macro Lett. 2019, 8, 161)。

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