Механохимия представляет собой экологически привлекательную альтернативу традиционному органическому синтезу, в первую очередь благодаря отказу от использования растворителей. Традиционные методы органического синтеза, напротив, широко используют растворители, которые впоследствии становятся значительным источником промышленных отходов. Именно отсутствие растворителей делает механохимию особенно привлекательной с точки зрения защиты окружающей среды. Кроме того, эта методика открывает возможности для проведения органического синтеза с использованием реагентов, которые плохо растворяются в распространенных растворителях. В механохимических реакциях реагенты часто находятся в твердом состоянии.
Несмотря на очевидные преимущества механохимии и наблюдаемый факт ускорения химических реакций под воздействием механической силы, фундаментальные механизмы, лежащие в основе этих процессов на молекулярном уровне, до сих пор остаются недостаточно изученными. Экспериментальные исследования однозначно показывают, что сила, прикладываемая, например, шаровой мельницей, действительно ускоряет химические реакции. Однако, каким образом макроскопические силы влияют на химические реакции в микроскопическом, молекулярном масштабе, пока не имеет четкого теоретического объяснения. В сравнении с традиционными методами, теоретическая база механохимического органического синтеза находится на начальной стадии развития. Для дальнейшего прогресса в этой области и превращения механохимии в общепринятую стратегию критически важно углубленное понимание кинетики реакций.
Значительный шаг вперед в этом направлении был сделан исследовательской группой из Университета Хоккайдо. Команда под руководством адъюнкт-профессора Тецуи Ямамото из Института разработки и открытия химических реакций (WPI-ICReDD) разработала новую теорию, позволяющую прогнозировать скорости реакций в механохимических органических реакциях, протекающих в шаровой мельнице.
Результаты этого исследования были опубликованы в 2024 году в журнале RSC Mechanochemistry (DOI: 10.1039/D4MR00091A). Работа стала результатом плодотворного сотрудничества между учеными, специализирующимися в органической химии и реологии.
В основе новой теории лежит концепция интерфейса между твердыми реагентами и продуктового слоя, формирующегося на этом интерфейсе. Согласно этой теории, именно характеристики этого интерфейса и продуктового слоя играют ключевую роль в определении скорости реакции. Химические реакции между твердыми реагентами происходят непосредственно на границе их контакта. Продуктовый слой, образующийся на этом интерфейсе, оказывается решающим фактором, влияющим на скорость всего процесса. В частности, теория предсказывает, что толщина слоя, обогащенного продуктом реакции, является критически важным параметром.
Согласно разработанной теории, ускорение реакции механической силой объясняется уменьшением толщины продуктового слоя под воздействием этой силы. Удары шаров в мельнице создают механическое воздействие на интерфейс реагентов, где и формируется продукт реакции. Это воздействие приводит к уменьшению толщины продуктового слоя. Более тонкий продуктовый слой, в свою очередь, способствует более частым столкновениям между реагентами. Увеличение частоты столкновений, как следствие, приводит к ускоренному образованию продукта и, соответственно, к ускорению общей скорости реакции.
Адъюнкт-профессор Тецуя Ямамото, первый автор исследования, подчеркивает новаторский и фундаментальный характер разработанной теории: «Это исследование является первой попыткой создать кинетическую теорию механохимической реакции, фокусируясь на интерфейсах». Он также отмечает, что данная теория станет основой для разработки дальнейших теоретических подходов к пониманию механизмов ускорения реакций под воздействием механических сил.
Адъюнкт-профессор Кодзи Кубота, второй автор исследования, подчеркивает важность коллаборации и рассматривает разработанный теоретический каркас как важный шаг на пути к пониманию механохимических процессов: «Детальные механизмы механохимических процессов остаются в значительной степени загадочными. Экспериментальные подходы сами по себе оказались недостаточными для полного выяснения этих механизмов. Однако благодаря выдающемуся сотрудничеству в WPI-ICReDD, мы успешно разработали предварительный теоретический каркас для лучшего понимания роли механических сил в управлении механохимическими реакциями». Таким образом, совместные усилия исследователей, объединивших экспертизу в органической химии и реологии в рамках WPI-ICReDD, позволили сделать важный шаг к раскрытию тайн механохимии и созданию фундамента для дальнейшего развития этой перспективной области.
Изображение носит иллюстративный характер
Несмотря на очевидные преимущества механохимии и наблюдаемый факт ускорения химических реакций под воздействием механической силы, фундаментальные механизмы, лежащие в основе этих процессов на молекулярном уровне, до сих пор остаются недостаточно изученными. Экспериментальные исследования однозначно показывают, что сила, прикладываемая, например, шаровой мельницей, действительно ускоряет химические реакции. Однако, каким образом макроскопические силы влияют на химические реакции в микроскопическом, молекулярном масштабе, пока не имеет четкого теоретического объяснения. В сравнении с традиционными методами, теоретическая база механохимического органического синтеза находится на начальной стадии развития. Для дальнейшего прогресса в этой области и превращения механохимии в общепринятую стратегию критически важно углубленное понимание кинетики реакций.
Значительный шаг вперед в этом направлении был сделан исследовательской группой из Университета Хоккайдо. Команда под руководством адъюнкт-профессора Тецуи Ямамото из Института разработки и открытия химических реакций (WPI-ICReDD) разработала новую теорию, позволяющую прогнозировать скорости реакций в механохимических органических реакциях, протекающих в шаровой мельнице.
Результаты этого исследования были опубликованы в 2024 году в журнале RSC Mechanochemistry (DOI: 10.1039/D4MR00091A). Работа стала результатом плодотворного сотрудничества между учеными, специализирующимися в органической химии и реологии.
В основе новой теории лежит концепция интерфейса между твердыми реагентами и продуктового слоя, формирующегося на этом интерфейсе. Согласно этой теории, именно характеристики этого интерфейса и продуктового слоя играют ключевую роль в определении скорости реакции. Химические реакции между твердыми реагентами происходят непосредственно на границе их контакта. Продуктовый слой, образующийся на этом интерфейсе, оказывается решающим фактором, влияющим на скорость всего процесса. В частности, теория предсказывает, что толщина слоя, обогащенного продуктом реакции, является критически важным параметром.
Согласно разработанной теории, ускорение реакции механической силой объясняется уменьшением толщины продуктового слоя под воздействием этой силы. Удары шаров в мельнице создают механическое воздействие на интерфейс реагентов, где и формируется продукт реакции. Это воздействие приводит к уменьшению толщины продуктового слоя. Более тонкий продуктовый слой, в свою очередь, способствует более частым столкновениям между реагентами. Увеличение частоты столкновений, как следствие, приводит к ускоренному образованию продукта и, соответственно, к ускорению общей скорости реакции.
Адъюнкт-профессор Тецуя Ямамото, первый автор исследования, подчеркивает новаторский и фундаментальный характер разработанной теории: «Это исследование является первой попыткой создать кинетическую теорию механохимической реакции, фокусируясь на интерфейсах». Он также отмечает, что данная теория станет основой для разработки дальнейших теоретических подходов к пониманию механизмов ускорения реакций под воздействием механических сил.
Адъюнкт-профессор Кодзи Кубота, второй автор исследования, подчеркивает важность коллаборации и рассматривает разработанный теоретический каркас как важный шаг на пути к пониманию механохимических процессов: «Детальные механизмы механохимических процессов остаются в значительной степени загадочными. Экспериментальные подходы сами по себе оказались недостаточными для полного выяснения этих механизмов. Однако благодаря выдающемуся сотрудничеству в WPI-ICReDD, мы успешно разработали предварительный теоретический каркас для лучшего понимания роли механических сил в управлении механохимическими реакциями». Таким образом, совместные усилия исследователей, объединивших экспертизу в органической химии и реологии в рамках WPI-ICReDD, позволили сделать важный шаг к раскрытию тайн механохимии и созданию фундамента для дальнейшего развития этой перспективной области.
