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水是最常见但也是最神奇的物质。哪怕是一“滴”水,它只有千万亿分之一升,却能加速化学反应,所展现出的催化效应令无数科学家瞠目结舌。这就是近些年化学领域前沿热点——水微滴研究。目前水微滴在有机化学合成、固氮固碳等领域显示出了巨大的应用潜力,然而其加速反应的机理却不明确,甚至存在很大争议。 

撰文 | 聂少尉、梁秋江、杨军(香港大学化学系)

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引言

水是维持生命的必要物质。工业以及农业生产中,水亦是不可或缺的重要原料;化学实验室中,水也是重要的溶剂。除了以上所需的“大量”水溶液,千万亿分之一升(立方微米)级别的水也广泛存在于自然环境里,如大气中的水蒸气。令人惊讶的是,近年来随着化学研究的深入,人们发现体积如此之小的“水微滴”(water microdroplet)能够将一些化学反应的速率提升约10倍甚至1000000倍!关于水微滴的研究迅速成为化学领域的热点。在读者阅读这篇文章时,相信世界各地的化学实验室正在积极推进微滴化学的研究。 

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水微滴研究的前世今生

顾名思义,水微滴是指体积很小的水滴,其直径范围约为1微米至1000微米;它的物理构成上涉及由水分子构成的液相,外围包裹微滴的气相(通常为空气)以及气液两相所形成的气-水界面。虽然微滴研究在化学合成领域较为新颖,但水微滴在日常生活和其他科学研究中并不罕见。家庭中所使用的超声波加湿器就是一个良好的水微滴发生器,水在高频物理振动下被打散成为直径1-10微米的水滴,这些水微滴在空气中扩散从而增加了室内的空气湿度。水微滴也广泛存在于大气层的云和雾中,其物理化学性质对于研究大气反应至关重要。长期以来,由于体积小、所能包含的反应物有限,以及需要灵敏的测量手段等原因,水微滴直到近期才在化学合成领域崭露头角。

水微滴在化学领域的研究最早可以追溯到上世纪70年代。随着高精度分析测量仪器的发展,特别是高分辨率的质谱仪(如离子回旋共振等)逐渐被应用于化学领域,高精度测量化学反应速率得以实现。作为相关研究的先驱者,美国化学家John Brauman利用质谱仪测量了大量有机分子的反应速率常数,发现许多气相反应的速率远高于相应的液相反应。到了80年代,电喷雾电离(Electrospray Ionization)技术诞生,利用高电压将液体电离成带电微滴,可产生包含有特定反应物带电离子的水微滴,并可直接被送入质谱仪中进行分析,其发明者美国化学家John Fenn也因此获得了2002年的诺贝尔化学奖。

以质谱仪为中心,普渡大学Graham Cooks教授团队从上世纪90年代开始对离子反应进行研究,探索其在医药、生物化学和有机化学等领域的应用。在这期间,他们测量多种化学反应在水微滴的反应速率,初步显示了水微滴在化学合成领域的潜力。2011年,Cooks教授团队及其合作者创造性地利用酮类固醇和Girard试剂T的有机反应,首次清晰地展示水微滴的加速效果[1]。随后,Cooks教授、斯坦福大学Richard Zare教授及其他学者开始尝试将这一特性应用在化学合成中:他们的研究表明,许多化学反应在微滴中的反应速率远大于其在水溶液中对应的速率,加速倍率最高能达到106量级。

随着研究的不断深入,微滴化学的潜力被越来越多的学者发现。经过短短不到十年的发展,围绕水微滴加速化学反应展开了机理解释、反应类型、潜在应用等多方面的深入研究。同时,微滴化学的研究也促进了人们在固氮、二氧化碳转换和生命起源等重要问题的理解,并有望探索新型的反应路径,降低反应的活化能。通过利用水微滴,部分化学反应需要的实验室条件从严苛的高温高压转变为常温常压,在大大降低化学反应所需能耗的同时,提升了反应的安全性,使得化学合成向着更清洁、高效和安全发展。

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“水微滴催化”成果显著

研究发现水微滴可以对相当多种类的化学反应进行较大幅度的加速。例如,对Girard试剂T与酮类固醇等羰基化合物生成对应腙类化合物、Michael加成反应、脱水反应、席夫碱合成等加成消去反应;胺和硫化物等氧化还原反应;以及Mannich缩合等一系列有机合成反应。金属离子催化的蛋白质折叠与反折叠动力学过程也被发现在水微滴中显著加快。水微滴在这些微纳尺度的化学反应中发挥了类似催化剂和活性中心的作用,成为了研究人员探索新型化学反应路径和研究快速微合成等方面的有力工具。

下面让我们通过水微滴加速有机合成及提供新型固氮方法来领略这些微滴的巨大应用潜力。

3.1 有机化学合成

有机反应作为构建许多关键工业产品和材料的基础,在现代人类社会生产中扮演着至关重要的角色。其中,醛类氧化生成羧酸是最基础和常见的有机反应类型之一,被广泛地应用于化妆品、塑化剂、纤维、生物质衍生化合物以及药品的生产中。可以说,烃类、醛类等化合物的氧化反应是将初级原料点石成金,得到高附加值产品的关键手法。然而,由于大多数醛类的化学性质较稳定,在工业上常用的醛类氧化方法通常需要使用包含过渡金属强氧化剂,比如Cr(IV) 基的Jones氧化剂、Ag(I)基的Tollen试剂、Cu(II)基的Fehling氧化剂或者高锰酸氧化剂等。在长时间和大规模生产的需求下,这些传统方法所带来的高昂成本和对环境的危害是不可忽视的。

氧气作为天然的氧化剂具有环境友好、廉价易得、原子利用率高等优良性质,如何利用气态氧将醛类氧化生成羧酸是学术和工业界长期以来共同探索的热门课题。

2018年,Zare团队尝试在水微滴中利用氧气对多种醛类进行氧化生成对应羧酸的反应[2]。实验结果表明,在水-乙醇微滴和醋酸镍催化剂的作用下,所测试的脂肪族、芳香族和杂环类醛化合物在温和条件下,均可在30分钟内被氧气氧化形成对应的羧酸,产率62%-91%。以对叔丁基苯甲醛(4-tert-butylbenzaldehyde,分子式为C11H14O,是合成香料、染料和药物等精细化学品的重要原料)为例,相同温度、压强等条件下,在往反应物溶液中鼓入氧气气泡的对照实验中,相对应羧酸的产率不到1%,仅为微滴实验的1/50。通过调整电喷雾喷嘴处所放置金属网格的直径和层数,研究发现反应产率随微滴直径的减小而提升,并在直径为3微米时达到最大值。相反地,当微滴直径过大如90微米时,氧化反应产率仅有不到5%。微滴直径与产率的关系证明了微滴对这些醛类氧化反应的加速作用发生在包裹微滴的气-液界面上。

2019年,Zare团队继续报道了在水微滴中自发生成过氧化氢(H2O2)的现象,迅速引起了学术界的关注[3]。虽然水微滴中自发生成H2O2的机理目前仍不明确,甚至引发极大争议(本文后面会介绍),但在此基础上,研究团队进一步在水微滴中演示了,在室温条件下,不添加额外催化剂和氧化剂的Dakin氧化反应:羟基苯甲醛在水微滴中成功被氧化成为邻苯二酚(分子式为C6H6O2,由两个羟基取代苯环相邻位置的H所形成,是重要的化工原料,广泛应用于农药、医药、香料、染料、感光材料以及橡胶等行业), 反应时间仅为0.1-13 毫秒[4]。相反,其在水溶液中Dakin氧化反应需在加入过量H2O2氧化剂、且在强酸/强碱和高温条件下才可进行。

尽管水微滴在实际的醛类氧化等有机合成上仍需要大量深入的研究,微滴所表现出来的优异催化效率和氧化性已经展示了其在化学合成领域的应用前景。

3.2 非生物方法合成生物分子

关于生命起源的问题,水微滴研究带来了新的见解。生命起源的基本理论认为,最初海洋中存在的肽、核苷酸等基本的生物分子是生物起源的必要条件。地球上的生命起源于水,然而在生命诞生之前,地球表面被海洋所覆盖,环境中过多的水分子可能阻碍氨基酸之间的脱水反应,从而影响了肽的生成。生物体内的蛋白质合成依赖于各种生物酶催化功能,而最初在缺少酶的情况下,氨基酸是如何在自然环境下通过非生物方法转化成简单的肽分子是生命起源研究的关键问题。

科学家们研究了甘氨酸(Gly)和丙氨酸(Ala)在水微滴中的反应[5]。实验通过电喷雾电离产生仅包含甘氨酸或丙氨酸的水微滴,并在常温常压下扩散进入后端的质谱仪,研究人员发现在扩散中的水微滴内形成了双肽(GlyGly或 AlaAla)。论文作者认为,是水微滴的气-水界面提供了必要的“干燥”条件,克服了液相中氨基酸脱水反应的热力学障碍,从而可以在温和且无催化剂的条件下促进氨基酸的缩合反应。

这一发现意味着,在早期的海洋环境中,水微滴可能在生命的诞生中扮演了关键的角色:通过其特殊的气-水界面,为氨基酸的脱水反应创造了有利条件,从而促进了诞生生命所必需蛋白质的进一步合成。另外,核苷酸作为RNA合成的基本组成单元,在水溶液中的生成同样为吸热反应,其在水微滴中被发现可在镁离子催化剂作用下在温和条件下合成[6]。这些发现使人们重新认识水在生命起源中的作用,也为未来的生命科学研究提供了新的启示。

3.3 固氮与固碳

微滴化学的近期研究成果在固氮、碳封存等领域也展现了神奇的作用。固氮,是指将分子氮(N2)转化为氨或其他含氮化合物(如尿素[CO(NH2)2])的过程。固氮过程所产生的氨、尿素等化合物后续可被加工制作为化肥,对农业生产具有重要作用。虽然空气中富含氮气(N2),但N2分子中的两个N原子形成了非常稳定的N≡N三键,在通常条件下的反应活性很低。工业上大规模生产氨的所采用的方法被称为哈伯(Haber–Bosch)法,需在高温高压的条件下,借助铁基催化剂将N2和H2转化为氨。据统计,由这一方法所产出化肥所促进的粮食产量养活了全世界约50%的人口,其发明者德国化学家哈伯(Fritz Haber)由此获得了1918年的诺贝尔化学奖。然而世间安得双全法,这项发明于100多年前的“古老”方法完美符合了大众对化工生产的刻板印象——实用、有效但高风险、高污染。据调查分析,每年仅合成氨反应一项便占了全世界总能源消耗的2%之多,其向大气释放的CO2约为总排放量的1%。能够大规模应用的绿色、高效的固氮方法,长期以来都是整个人类社会的迫切期望。对此,近期化学界相关成果有望提供“水微滴”版本的解决方案。

2023年4月,研究者们发现了一种在常温常压下将氮气和水转化为氨的方法[7]。实验通过超声喷雾装置将液态水打散形成直径约为10微米的水微滴并通过N2或空气带出,并在常压条件下通过表面嵌有Fe3O4和Nafion材料作为催化剂的石墨网格,固氮反应仅在水微滴接触催化剂表面约0.2毫秒的时间内发生。另外,通过对温度、电压、毛细管直径、水微滴直径等条件的优化探索,团队发现在不需要额外电压和加热的条件下即可达到良好的反应效率。

试想一下,倘若未来能实现在温和条件下的大规模人工固氮反应,且没有CO2气体的排放,甚至不需要消耗大量额外能源,那么全世界每年可节约以亿千瓦时为单位计量的能源消耗,减少千亿吨CO2气体的排放。这对于缓解世界性的化石能源枯竭、气候变暖等问题具有重大意义。

2023年12月,研究团队进一步在之前工作的基础上提出了一种利用水微滴将N2和CO2一步转化为尿素的方法。同之前的实验步骤相似,将产生水微滴喷雾装置的喷雾气体替换为等体积N2和CO2的混合气体,使用CuBiO4作为固体催化剂。质谱分析的结果显示,N2和CO2在气-液-固三相的催化体系中被成功地转化为尿素。另外,在将水替换为甲醇后,尿素的质谱仪信号逐渐消失,说明了水微滴在反应中不仅作为H源提供了尿素分子的H原子,其内禀的特殊属性也是驱动反应发生的关键因素。

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加速机理:知其然仍不知其所以然

在令人惊讶的实验现象背后,科研工作者也尝试从各种角度理解水微滴加速化学反应的物理化学机制,提出了多种模型和猜想。然而,水微滴的微纳空间尺度和超快反应的时间尺度对实验及计算手段提出新的挑战,其加速化学反应的微观机理研究虽有一定进展,但还远称不上成熟,目前存在一定的争议。

4.1 气-水界面及强电场

要想真正了解水微滴加速化学反应的原因,我们必须把握并构建现实的物理化学体系,涉及到微观尺度下的水化学及界面科学。通过对比水微滴与液相水,我们可以发现其中端倪。

首先,水微滴与体相水最直观的区别就是由于液体直径减小所带来的面积-体积比的增加,即单位体积水所对应气-水界面面积的增加。在实验中改变水微滴直径,观察反应速率的变化可以确定水微滴中气-水界面对反应的影响。

水微滴另外一个重要的特点是在其表面形成的双电层,以及由此在气-水界面极薄的1-2埃(1埃=10-10 米)内产生的强电场。由基本的静电场知识可知,电荷在电场内会受到电场力的作用,力的大小与电场强度成正比。当所处环境的电场强度足够大时,分子中的化学键会发生活化甚至解离,带电离子也可能会在电场作用下发生重排,从而促进相关化学反应的进行。换言之,只有当水微滴表面的电场足够强时,水微滴才有可能通过电场的作用来加速反应。因此,水微滴表面电场强度的实验测量与理论计算对于水微滴加速化学反应的机理研究至关重要。

由于水微滴气-水界面的特殊性,实验上直接测量水微滴表面的电场强度存在诸多挑战,如空间分辨率、测量灵敏度以及测量对体系引入的扰动等。直到2020年,斯坦福大学Zare和哥伦比亚大学的Min Wei团队合作,利用受激拉曼激发荧光谱仪(SREF)测量振动Stark效应,得到水微滴表面的电场强度约为109 V/m量级[8]。2022年,加州大学伯克利分校的Teresa Head-Gordon教授应用反应力场模型ReaxFF/C-GeM,通过分子动力学模拟了直径为80-160埃的水微滴电场分布和变化[9]。计算发现水微滴表面的电场呈现洛伦兹分布,平均值为1.6 ×109 V/m。以上实验和理论的结果都指出,在水微滴的表面存在高达109 V/m量级的电场,足以激活或断裂化学键。同时,法国国家科学研究中心Ruiz-López等认为,微滴表面溶剂动力学重构产生的静电势涨落效应也不应忽视[10]

最近,我国南开大学张新星团队利用水-气界面产生的强电场,从实验上实现了对Menshutkin反应的催化加速[11];另外,他们通过水微滴界面电场产生的超快电子转移,实现了脱卤反应[12]

带电微滴也可以作为天然的微型电池,驱动包含水的化学反应。最近,厦门大学范凤茹课题组报道了将带电微滴作为微型电化学电池,成功实现了多电子的CO2还原反应,并最终生成乙醇。因此,许多学者认为水微滴在界面处存在的强电场是促进化学反应发生的重要因素之一。

4.2 水微滴表面电荷的来源

尽管实验和理论的研究给出了一致的水微滴表面电场强度,然而,表面电场的建立归根结底是由于水微滴表面正负电荷分布所形成的双电层。这些正负电荷的来源和存在形式还具有一定的争议,主要分为水分子电离和氢键电荷转移两种观点。

水分子电离即认为在水中所存在的H+和OH-离子是由H2O分子自发电离而成。然而,近期关于水结构的研究揭示了在微滴表面,相比于低概率(~0.0001%)的水电离,氢键供体中的电子有2%的几率转移到受体中,形成带电水分子对,即H2O + H2O→H2O+ + H2O-。根据电荷转移的概率,可以推算出每个氢键的平均电荷转移量为 ±0.02 e[13]

近期一项基于二阶微扰理论的QM/MM模拟,发现水微滴表面的水分子之间存在持续的非均匀的电荷转移,单个界面水分子的电荷迁移量最高能达到 ±0.2 e,远高于之前电荷转移概率的估算,因而产生了大量的部分带电水自由基。对大气中重要的CI(Criegee intermediates)分子与水微滴的反应计算表明,界面电荷转移提高了CI分子与水分子的反应活性,大大降低反应活化能,促进反应快速发生[14]

4.3 其他机制

除了水微滴在气-水界面处存在的强电场外,还存在其他加速化学反应的可能机制:

1)更低的溶解能。理论认为反应物在水微滴中发生时只需要在气-水界面处部分溶解,从而降低了反应物完全溶解的能垒。

2)反应物分子在气-水界面的有序排列。实验和理论研究都指出,由于水微滴表面的电场,部分反应物离子或中间体会沿特定方向形成有序排列。反应物分子的有序排列会降低反应初态的熵并相应地增加吉布斯自由能,从而减小整体反应的自由能变化。

3)水微滴的快速蒸发。随着水微滴在空气中的快速蒸发,水微滴体系中的反应物浓度会显著提高,从而使化学平衡正向偏移。

简而言之,目前发展的水微滴加速化学反应的机理解释主要围绕气-水界面的作用进行。当然,反应物在水微滴中的存在形式,以及反应过程中水微滴与反应物产物的相互作用等因素,也是影响反应速率的重要原因。

4.4 争锋相对:自发性生成H2O2机理的学术争议

Zare教授课题组报道的水微滴中自发生成H2O2,是近年微滴化学发展的重要发现之一。通常,由水分子产生H2O2的化学反应需要吸收大量的热量,而“自发”意味着反应的自由能为负,在过程中放出热量。这一反常的化学现象迅速引起了学术界的关注与质疑,关于H2O2生成具体机理仍在持续争论中。目前来说,探究自发性生成H2O2的主要难点在于水微滴中所生成的H2O2浓度极小,而H2O2有可能在实验进行的各个阶段通过不同种类的机制生成,极易在实验过程中发生污染。现在已知的可能产生H2O2的途径有:超声喷雾的气穴现象(cavitation),水微滴与固体表面(电离过程的毛细管)接触,以及空气中的氧气和臭氧的氧化等。

水微滴的气-水界面的强电场也被认为可以促进H2O2的生成。目前关于气-水界面的作用的观点分为两派。Zare和Teresa Head-Gordon教授认为可能是表面处的OH-与OH自由基复合形成H2O2和一个自由电子;而加州理工的Agustín J. Coluss教授认为,水微滴气-水界面的化学反应势能面改变更加合理,使得OH-和H+生成OH和H自由基成为了放热反应,而两个OH自由基复合最终生成了H2O2[15];阿卜杜拉国王科技大学的Himanshu Mishra则认为H2O2的生成主要发生于水微滴与固体表面相接触所形成的固体-水界面[16],排除了在气-水界面发生反应的可能性。

目前,水微滴内H2O2自发性生成反应的机理尚不明确且面临诸多研究难点。只有精心设计实验将其他干扰因素排除之后,才可能确定某一单独因素的贡献。气-水界面内部以及与固体-水界面的争论仍需要未来严谨的科学探索。

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总结:挑战与机遇并存

微滴化学自诞生至今不过十余年,却已迅速成为化学界的焦点。其研究范围从最初的分析、合成迅速扩展到生物、医药、能源、催化等多个领域和学科。尽管水微滴的应用前景广阔,但其微观作用机理仍需深入研究和探讨。此外,虽然研究发现水微滴在温和条件下可加速多种化学反应,但这些反应大多数属于酸/碱催化,或者反应物含有氨基、酮类固醇等极性官能团。对于非极性分子的反应,水微滴没有展示出明显的加速效果,譬如非极性分子3,5-hexadienyl acrylate ester的Diels–Alder反应,实验显示大多数反应物剩余。从应用方面讲,难以大规模产生小体积的水微滴也是其面向实际应用的障碍之一。

未来,如何高效制备带电水微滴和提高反应产量,或是决定微滴合成化学能否真正实现化合物大规模清洁、高效工业生产的关键因素。对于全球科学家而言,微滴化学的发展既是一项巨大的挑战,也是一个难得的机遇。我们共同期待着水微滴化学的研究与应用在未来取得更多突破。

参考文献

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[4]Dan Gao, et ak. "Aqueous microdroplets containing only ketones or aldehydes undergo Dakin and Baeyer–Villiger reactions." Chemical Science 10.48 (2019): 10974-10978.

[5] Holden, Dylan T., Nicolás M. Morato, and R. Graham Cooks. "Aqueous microdroplets enable abiotic synthesis and chain extension of unique peptide isomers from free amino acids." Proceedings of the National Academy of Sciences 119.42 (2022): e2212642119.

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[7] Song, Xiaowei, Chanbasha Basheer, and Richard N. Zare. "Making ammonia from nitrogen and water microdroplets." Proceedings of the National Academy of Sciences 120.16 (2023): e2301206120.

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[9] Hao, Hongxia, Itai Leven, and Teresa Head-Gordon. "Can electric fields drive chemistry for an aqueous microdroplet?." Nature communications 13.1 (2022): 280.

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[13] Ben-Amotz, Dor. "Electric buzz in a glass of pure water." Science 376.6595 (2022): 800-801.

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[15] Colussi, Agustín J. "Mechanism of Hydrogen Peroxide Formation on Sprayed Water Microdroplets." Journal of the American Chemical Society (2023).

[16] Gallo Jr, Adair, et al. "On the formation of hydrogen peroxide in water microdroplets." Chemical Science 13.9 (2022): 2574-2583. 

本文受科普中国·星空计划项目扶持 

出品:中国科协科普部 

监制:中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司 

 

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返朴

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