康奈尔大学林松教授团队 Nature:用于无线驱动电化学合成的光捕获微电子器件

文摘   2025-01-12 12:20   北京  

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电化学合成(electrosynthesis)作为化学合成的一种重要手段,早在19世纪初便被引入到化学研究中,近些年来随着有机合成的需求不断增加,电化学合成方法逐渐得到了广泛的关注。电化学合成不仅能够实现传统化学合成方法难以达到的转化反应,还具备绿色、环保等优势,因此广泛应用于反应发现、有机合成和药物开发等领域。然而,电化学合成的复杂反应设置和独特的参数空间,使得其在实际应用中面临诸多挑战,尤其是需要在大量实验参数中进行系统性调控,如试剂、催化剂、电解质、温度、电极材料及电流/电位等,这些因素增加了其普及的难度。尽管现有的一些电化学反应器已经实现了标准化和用户友好,但其大多依赖有线连接和较大反应体积,仍然难以满足高通量实验的需求。

2025年1月8日,康奈尔大学林松教授、Paul L. McEuen教授(共同通讯)在 Nature 期刊上发表了题为“Light-harvesting microelectronic devices for wireless electrosynthesis”的最新论文。
该团队设计并开发了一种名为SPECS(小型光电子用于电化学合成)的微电子设备,这些设备通过标准的纳米加工技术制造,能够无线驱动电化学反应。这些设备仅通过可见光供电,克服了传统电化学反应器对电源和连接线的依赖,实现了更加简便和高效的电合成方法。通过将SPECS应用于电化学反应中,研究人员成功地将传统的96孔或384孔微孔板转化为高效的电化学反应器,并验证了其在氧化、还原和配对电解等多个反应中的应用。
SPECS设备的优点不仅在于其无线和简便的设计,还能显著提高实验效率。通过该设备,研究人员能够在微升尺度上进行高通量电合成实验,有效加速了生物活性化合物的合成库的建设,同时也推动了两种电合成方法的发展。此外,SPECS还在电光催化和串联电化学-化学转化等多个复杂反应体系中展现了良好的适应性。通过SPECS的创新应用,不仅为电化学合成方法的优化提供了新思路,也为其在更广泛的合成领域的应用奠定了基础。
图1. 使用可见光驱动的微电子设备进行无线电合成。
实验首次开发了基于可见光驱动的微电子设备(SPECS),实现了无线电合成。通过标准的纳米加工技术,SPECS能够将传统的96孔或384孔反应板转化为电化学反应器,且无需有线连接,简化了电化学反应的设置。
图2. 验证SPECS在已知电合成转化中的应用。
实验通过SPECS技术验证了其在已知电合成转化中的应用,成功重现了多个经典的电化学反应。这些设备能够在微升尺度上实现电化学反应,为高通量实验提供了新的解决方案。
图3. SPECS在串联电化学-化学转化、电光催化和库合成中的应用。
实验进一步通过SPECS技术实现了串联电化学-化学转化、电光催化及库合成,展示了其在多步反应中的灵活性和多功能性。该方法为加速药物发现和合成化学研究提供了强有力的工具。
图4. 一步法 aza-Shono偶联反应的开发。
实验开发了一种一步法aza-Shono偶联反应,通过SPECS技术的支持,简化了反应过程,并提高了反应的效率和可操作性。
图5. 基于SPECS的工艺开发。
本文通过跨学科的结合,尤其是有机合成、电化学和纳米加工技术,可以有效突破传统电合成的局限,推动高通量电合成技术的发展。SPECS微型无线电子设备的成功开发,展示了电化学反应可以在无需有线连接的情况下,通过可见光驱动进行,并实现了对现有高通量实验平台的兼容性。这一技术不仅能够简化电合成反应的设置,还能在微尺度上进行大规模反应筛选和新化合物合成,为药物化学和其他领域提供了新的研究工具。
此外,实验中发现的S–N偶联反应条件的开发,表明通过优化电化学反应条件,可以实现以前未曾探索的化学反应,为有机合成化学的反应库拓展了新的方向。总体而言,这项研究的创新性在于降低了电合成的使用门槛,极大地拓展了电化学在有机合成中的应用范围,并为非专业人士进入这一领域提供了可能,推动了电合成技术向更广泛的化学和医药领域渗透。

原文链接

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08373-1


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