اخیراً دانشمندان موفق به شناسایی یک عامل پنهان شده‌اند که می‌تواند تعیین کند آیا یک واکنش شیمیایی موفق است یا خیر. با کنترل تغییرات کوچک در اسیدیته نزدیک الکترودها، محققان توانسته‌اند تولید مواد شیمیایی ارزشمند را به طرز چشم‌گیری افزایش دهند و نسبت محصول مورد نظر را از حدود 16% به 97% برسانند. این پیشرفت، به رهبری پروفسور جیون ریوی از دانشگاه ملی سئول، می‌تواند به ساخت مواد شیمیایی به شکلی ایمن‌تر، پاک‌تر و کارآمدتر کمک کند.
محققان یک روش جدید توسعه داده‌اند که با استفاده از اکسیژن و برق، ترکیباتی تولید می‌کند که در پلاستیک‌ها، داروها، چسب‌ها و سایر مواد روزمره استفاده می‌شود، بدون اینکه نیازی به افزودن جداگانه اکسیدان‌های پراکسیدی باشد. کشف آن‌ها بر روی یک عامل به‌دردنخور به نام “pH محلی” متمرکز است که توصیف‌کننده اسیدیته یا قلیایی بودن در اطراف الکترود است. با بازطراحی یک راکتور شیمیایی برای کنترل فاصله بین الکترودها و حرکت مایعات در سیستم، تیم تحقیقاتی راهی برای مدیریت این شرایط و بهبود عملکرد واکنش پیدا کرده‌اند.
تأثیر pH محلی بر واکنش‌ها
در این مطالعه، دو خانواده مهم از مواد شیمیایی مورد توجه قرار گرفته است: لاکتون‌ها و اپوکسیدها. لاکتون‌ها مواد اولیه‌ای اساسی برای پلاستیک‌های زیست‌تجزیه‌پذیر و پلی‌اورتان‌ها هستند، در حالی که اپوکسیدها برای تولید چسب‌ها، پوشش‌های محافظ و رزین‌های اپوکسی مورد استفاده قرار می‌گیرند. هر دو همچنین در تولید داروها و سایر مواد شیمیایی تخصصی نقش‌های مهمی ایفا می‌کنند.
محققان با بررسی بیش از 600 مقاله علمی در زمینه الکتروسنتز آلی، به این نتیجه رسیدند که تقریباً 89% از این مطالعات شامل واکنش‌هایی در یک یا چند الکترود هستند که در آن‌ها هم الکترون‌ها و هم پروتون‌ها منتقل می‌شوند. این موضوع اهمیت pH محلی را در فرآیندهای شیمیایی نشان می‌دهد.
توسعه روش‌های جدید با اکسیژن و برق
برای نشان دادن کشف خود، دانشمندان یک فرآیند شیمیایی شناخته‌شده به نام اکسیداسیون بایر-ویلگیر را مورد بررسی قرار دادند که در آن یک اتم اکسیژن به مولکول‌های آلی اضافه می‌شود. این فرآیند به طور سنتی نیاز به مواد شیمیایی اکسیدکننده واکنشی دارد که استفاده از آن‌ها می‌تواند مشکلاتی از جمله زباله‌های شیمیایی و خطرات ایمنی را ایجاد کند. اما تیم دانشگاه سئول یک رویکرد متفاوت ایجاد کرد و به جای تأمین این اکسیدان‌ها از خارج، از برق برای فعال‌سازی گاز اکسیژن در الکترود استفاده کرد.
طراحی راکتور و افزایش انتخاب‌پذیری
محققان با درک اهمیت pH محلی، به بررسی چگونگی کنترل آن پرداختند. آن‌ها با استفاده از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری و اندازه‌گیری‌های الکتروشیمیایی، طراحی یک راکتور را توسعه دادند که الکترودها را به هم نزدیک‌تر کرده و اجازه می‌دهد الکترولیت، مایع رسانای الکتریسیته، بین آن‌ها جریان داشته باشد. با این کار، تغییرات افراطی در اسیدیته جلوگیری می‌شود و انتخاب‌پذیری محصولات تا 97% افزایش می‌یابد.
این نتایج نشان می‌دهد که طراحی فیزیکی راکتور و شرایط میکروسکوپی آن می‌تواند به اندازه شرایط شیمیایی و مواد اولیه اهمیت داشته باشد.
کاربردهای گسترده در صنعت شیمیایی
تیم تحقیقاتی همچنین به بررسی این موضوع پرداخت که آیا می‌توان از این رویکرد برای تولید مواد شیمیایی مختلف استفاده کرد. آن‌ها توانستند لاکتون‌ها را از 18 ترکیب کتون مختلف سنتز کنند، از جمله ε-کاپرولاکتون که ماده اولیه‌ای برای پلی‌کاپرولاکتون، یک پلیمر زیست‌تجزیه‌پذیر در کاربردهای پزشکی است. همچنین از استراتژی کنترل pH محلی خود برای تولید اپوکسیدها استفاده کردند.
چشم‌انداز آینده برای تولید شیمیایی پایدار
یکی از جوانب امیدوارکننده این تکنیک این است که از اکسیژن و برق استفاده می‌کند و نیاز به اکسیدان‌های پراکسیدی خارجی را کاهش می‌دهد. این واکنش‌ها در دمای اتاق و فشار اتمسفری معمولی انجام می‌شوند و می‌توانند فرآیندهای شیمیایی را ساده‌تر و ایمن‌تر کنند. محققان بر این باورند که این تکنیک می‌تواند به تولید مواد شیمیایی با ارزش بالا در آینده کمک کند و به یک راه حل پایدار در صنعت شیمیایی تبدیل شود.
نتیجه‌گیری
کشف این عامل پنهان نه تنها به طراحی بهتر واکنش‌های الکتروشیمیایی کمک می‌کند، بلکه به ما نشان می‌دهد که اهمیت کنترل محیط میکروسکوپی در واکنش‌های شیمیایی باید بیشتر مورد توجه قرار گیرد. این تغییر رویکرد می‌تواند به بهبود فرآیندهای شیمیایی در آینده کمک کند.
