Ученые обнаружили скрытый фактор, который может определять успех или провал химических реакций

Исследователи обнаружили скрытый фактор, определяющий успех или провал химической реакции: локальный pH в непосредственной близости от электродов. Управляя микроскопическими изменениями кислотности у электродов, команда под руководством профессора Джэюна Рю из Сеульского национального университета повысила долю целевого продукта примерно с 16% до 97%. Разработанный метод использует кислород и электричество для производства соединений для пластиков, лекарств, клеев и других материалов без отдельного добавления пероксидных окислителей. Результаты опубликованы в Журнале Американского химического общества.

Работа опирается на органический электросинтез, в котором электрическая энергия движет реакции органических соединений и может снизить потребность в опасных окислителях и восстановителях. До сих пор усилия сосредотачивались на напряжении, материалах электродов и составе раствора, но исследователи обратили внимание на среду непосредственно у электрода, где происходит перенос электронов. При электрохимических реакциях протоны могут производиться или потребляться быстрее, чем успевают перемещаться, поэтому локальный pH может сильно отличаться от общего: даже в нейтральном растворе у катода он достигает примерно pH 11, а у анода — pH 2.5. Это влияет на образование реактивных форм кислорода, поведение исходных молекул и стабильность продуктов. Анализ более 600 статей с 2010 года показал, что около 89% исследований включали реакции с переносом и электронов, и протонов. На примере окисления Байера—Виллигера учёные подтвердили изотопным мечением, что кислород в продуктах происходит из газообразного кислорода, а не из воды.

Чтобы контролировать локальный pH, исследователи переработали реактор: электроды разместили ближе друг к другу, а электролит пропускали между ними. При неконтролируемых различиях pH выход целевого продукта составлял около 16%, а после улучшения конструкции селективность выросла примерно до 97%. Увеличение скорости потока электролита повысило производительность примерно в 14 раз, а сокращение расстояния между электродами с 20 мм до 4 мм — примерно в 2.2 раза; без потока жидкости желаемый продукт почти не образовывался. Метод позволил синтезировать лактоны из 18 разных кетонов, включая ε-капролактон с выходом 82%, и эпоксиды из шести алкенов. Технология работает при комнатной температуре и нормальном давлении с кислородом и электричеством, что может упростить и сделать безопаснее производство, но для промышленного масштабирования нужны дальнейшая оптимизация и испытания. Авторы предлагают рассматривать локальный pH как управляемый принцип проектирования химических реакций.