西北工業大學黃維院士團隊發表Science

　　近日，西北工業大學柔性電子研究院（IFE）、生物醫學材料與工程研究院（IBME）黃維院士團隊王振華副教授和四川大學夏和生教授合作對壓電促進力化學有機合成發表評述，相關論文以“Piezoelectricity drives organic synthesis”為題于12月20日在國際頂尖學術期刊Science（《科學》）在線發表。

　　通常化學家會選擇施加熱、光和電來調節化學反應的活性得到目標產物。相比于此，力化學一直以來鮮受關注。力化學是研究物質受外力的作用而發生化學變化或物理化學變化的化學分支學科。其實早在1919年，奧斯特瓦爾德就提出了力化學的概念。然而，由于力化學反應條件的多樣性以及表征反應過程的困難限制了我們對其機理和反應過程的理解，從而導致力化學難以成為合成化學家工具箱中的一員。

　　過去十幾年間，力化學引起了廣泛的關注，而且正處于復興及重新開發的階段，這是因為它比傳統合成手段更清潔、更高效，大幅度降低有機溶劑的使用，并滿足了現代化學（化工、醫藥等）工業對可持續合成的需求。力化學在基礎研究領域已廣泛應用于許多領域，包括納米粒子制備、有機物和聚合物合成、聚合物加工、塑料或橡膠的回收、電化學儲能、水處理、藥物共晶體合成、金屬有機骨架、有機半導體、石墨烯剝離，碳納米管的切割、動態共價化學和自修復材料。但是力化學反應分門別類，機理眾多甚至有爭論，缺乏一種普適性的力化學機理。

　　針對此問題，作者提出壓電材料可以在超聲下作為還原劑催化單體聚合，開發了一系列超聲力化學控制原子轉移自由基聚合（Macromolecules2017,50, 7940-7948.,ACS Macro Lett.2017,6, 546-549.）。Ito等人受此啟發，提出了壓電材料鈦酸鋇可用于球磨來觸發單電子轉移氧化還原反應，成功地對各種芳基重氮鹽進行了力氧化還原活化，實現了芳基化和硼化反應。在球磨過程中，鈦酸鋇顆粒變形并轉變為電荷分離狀態，同時充當氧化劑和還原劑，通過單電子轉移反應將芳基重氮鹽還原為自由基，進一步進行自由基加成合成，其中電荷分離的鈦酸鋇顆粒可有效地淬滅自由基加成中間體。

　　研究顯示只有壓電性的鈦酸鋇能產生良好的反應產率，而非壓電顆粒產率低得多，甚至沒有反應。此外，Ito等人還研究了缺電子、中性和富電子取代基對反應的影響，發現前兩種取代基產生了良好的收率，鈦酸鋇的成功回收也進一步驗證了該方法的實用性。與光氧化還原的芳基化和硼酸酯化反應不同，力氧化還原催化能夠在更短的時間內達到很高的產率。除此之外，力氧化還原催化還可以從難溶底物出發合成多環芳烴，例如該反應成功實現了二苯并戊烷的碳氫芳基化反應，并以78％的產率得到了目標產物。該力氧化還原體系催化效能十分高效，只要通過錘子敲擊超過200次，產率也能達到43％。

　　針對這一研究領域，作者在《科學》雜志上發表了重要評述，認為這些發現將促進更多高效壓電材料的開發，從而實現從羧酸，鹵化物甚至碳氫鍵活化來直接產生自由基中間體；如果將力氧化還原與過渡金屬催化相結合，也有可能開發出高度對映選擇性的化學反應。此外，作者在文中還指出，將來的工作應該定量闡明力、還原電位和分子活化之間相互作用的精確理論模型。這些研究工作無疑為可持續的力化學合成提供了新思路及豐富的靈感。