プラズマ電気化学は有機化学結合を形成する新しい方法を提供します

イリノイ大学のプラズマ技術者と化学者は、結合形成有機反応の触媒として通常必要とされる高価な希少金属を使用せずに、すべての有機化合物の基盤である炭素-炭素結合を形成する持続可能な方法を実証した。

研究者らによると、核、プラズマ、放射線工学、生物工学、化学のイリノイ州の研究者は、学際的な協力を通じて専門知識を組み合わせて、有機化学を新たな方向に導く可能性のあるこの新しい金属触媒を使用しないアプローチを開発したという。 Journal of the American Chemical Societyに掲載された研究で、チームは、ピナコールカップリング反応で炭素-炭素結合を形成するための溶媒和電子を生成するために電気とプラズマ液体プロセスをどのように使用したかについて説明しています。 CC 結合の形成は、医薬品やプラスチックなどの多くの人工化学物質の製造に広く使用されています。

研究者らによると、これは有機レドックスカップリング反応においてプラズマ生成された溶媒和電子の最初の例であり、同様の還元性有機反応に対して持続可能な解決策を提供するという。 通常、このような反応には金属試薬または触媒が必要ですが、これらは希少で高価であるだけでなく、安全性や環境上の問題があり、場合によっては反応プロセスで熱を必要とします。

研究の共著者であるR. モハン氏は、「私たちのプロセスで実際に必要なのは、原子炉セルと装置を除いて電気だけです。将来的には、これが風力、太陽光、原子力などの再生可能エネルギーから供給されるようになり、プロセス全体が持続可能になることが期待されます」と述べた。サンカラン、ドナルド・ビガー・ウィレット 原子力・プラズマ・放射線工学科工学部教授。

サンカラン氏によると、彼らのプロセスはアルゴンガスから電子を生成し、これらの電子を溶液に注入して溶媒和電子を生成する。溶媒和電子は通常放射線分解によって生成される強力な化学種であり、これには複雑な装置が必要である。

「私たちの場合、溶媒和電子は、直流電源と、電極と有機基質を含む溶液を収容する比較的単純な電解反応器だけで生成されます」と、同グループが大気圧プラズマを開発してきたサンカラン氏は語った。 10年にわたり、以前の研究では、このタイプのプラズマ液体プロセスを他の用途、つまりナノ粒子合成や窒素固定に適用してきました。 「私たちは有機化学に興味がありましたが、その手法や特性評価については専門知識がありませんでした。」

サンカラン氏は、化学の研究教授であるジェフリー・S・ムーア氏に専門知識を求めて連絡を取ったが、このプロジェクトは協力なしでは不可能だったと述べた。

「そのほとんどは化学に関するもので、私のグループはやっていませんが、必要な化学の背景を持つ人がいなかったら成功するはずがありません」とサンカラン氏は語った。

この研究の筆頭著者でムーアグループのポスドク研究員でもあるJian Wang氏は、化学と材料科学の専門知識をこのプロジェクトに持ち込み、研究の共著者でサンカラングループの研究科学者であるプラズマの専門家スコット・ダボウスキー氏と協力して、血漿-液体プロセスを調べてから、研究すべき有機反応を特定します。

Wang 氏は、さまざまな有機基質を実験し、さまざまな分析技術を使用して反応を特徴付け、最終的にピナコール カップリングを選択しました。これは、ピナコール カップリングが炭素間結合形成の十分に確立された反応であり、プラズマ液体プロセスで機能すると考えられた反応であるためです。 もう一人の共著者であり、生物工学教授で化学学部所属の Rohit Bhargava 氏のグループの博士研究員である Matthew Confer 氏は、計算化学の専門知識を利用して、ピナコール生成物が溶媒和電子化学とラジカル反応からどのように形成されるかをモデル化しました。

「これは、コラボレーションを成功させるための黄金律をよく表したものです。最良の共同研究者は、共通の目標を共有しながらも、異なる専門知識をもたらします」と、スタンリー・O・アイケンベリー研究教授、化学名誉教授、ハワード・ヒューズ医学研究所教授のムーア氏は述べた。

サンカラン氏は、プラズマを有機反応に使用した研究はいくつかあるが、反応とメカニズムは異なっていたと説明した。

「通常、プラズマは化学物質を酸化するために使用され、プラズマによって生成された化学物質は活性酸素種でした。私たちの場合、研究した反応は電子 (または溶媒和電子) を必要とする還元であり、その還元により新しい炭素-炭素結合の形成です」とサンカラン氏は語った。

彼らの次のステップは、自分たちのプロセスを別の有機化学反応に適用し、このアプローチが一般的であり、さまざまな反応に適用できることを示すことです。

「また、収率が低い、過酷な条件が必要、または活性金属が存在しないなどの理由で実行が難しい反応を見つけたいと考えています」とサンカラン氏は述べ、研究で明らかになった問題の一つに対処したいとも説明した。 — 物質移動の制限によって収量が制限される可能性があること。 「私たちの反応はプラズマと溶液の界面で起こり、基質が界面に到達するには拡散する必要があります。対流による物質輸送を強化する液体の流れを組み込むことでこの問題に対処できます。液体の流れも潜在的に役立つでしょう」プロセスをスケールアップすることで、製品を継続的に製造できるようになります。」

ワン氏は、より伝統的な有機合成の代替手段としてのプラズマ電気化学における特別な課題の1つは、プラズマが非常にエネルギーが高いことだと述べた。

「我々は比較的良好な収率と選択性を達成することができているが、その制御は、例えば金属触媒を用いた従来の化学、あるいは電気触媒や光触媒の化学ほどにはまだ優れていない」とWang氏は述べた。 「現在、コントロール性と選択性の向上に取り組んでいます。」

この研究「ピナコールカップリングによる炭素-炭素結合形成のためのプラズマ電気化学」はオンラインで入手できます。

DOI: 10.1021/jacs/3c01779

編集者注:

— トレーシー・クレーン、化学科