静电也是“催化剂”？《Nature》报道Diels-Alder反应的突破性发现

说到催化剂，我们往往想到那些特殊的过渡金属或有机材料，它们或通过直接与产物结合形成活性中间体，或通过改变分子局部环境间接地影响反应物，使总体反应的活化能降低以促进反应进行。不过，最近在《Nature》上发表的一篇非常有趣的文章，使我们对催化的概念又有了新的认识。在这篇文章中，一个来自澳大利亚和西班牙的合作研究团队报告了一种新的催化手段——静电。这种看起来纯物理的方法，可以催化Diels-Alder反应，使其反应速率提高5倍。（Electrostatic catalysis of a Diels-Alder reaction. Nature, DOI: 10.1038/nature16989）

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化学家们已经能使用电势梯度来控制氧化还原反应的反应速率，尽管耶路撒冷希伯来大学化学家Sason Shaik等人的理论预测认为电场也能用于其他的非氧化还原反应，但在上述论文发表之前，还没有任何一个实验室能证实这一点。

该文通讯作者之一、来自澳大利亚国立大学的Michelle L. Coote教授说，这项新发现使她的团队推翻了以往的常规想法。“这个结果让人意想不到，”Coote教授说，“我们现在对化学有了全新的思考。”

Michelle L. Coote教授。图片来源：Australian National University

Coote教授之前曾经预测电场可以强烈地影响反应速率，但由于在通常的化学反应中，气体或液体中的分子取向（orientation）是随机的，因此电场的作用从未被观察到。这个国际合作研究团队最终想出了一个办法来测试Coote教授的预测，他们选择了Diels-Alder反应，将亲二烯体（dienophile）分子连接到金表面上使其保持相同的分子取向，另外将二烯分子连接到扫描隧道电子显微镜的探针上，随后研究人员让两个分子靠近并施加电场。通过改变电场的强度和极性，研究人员发现电场的极性也很重要——只有当电场的极性促进电子从亲二烯体分子流向二烯分子时，Diels-Alder反应的反应速率才能得到提高。

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由于电场可以在试管以外非常快地打开和关闭，这种新方法使研究人员可以对化学过程进行遥控。而且，静电催化与常规的催化剂相比还有很多优势，后者通常价格不菲，经常产生副产物，而且还需要从最终产物中分离出来。这种技术第一次实现了利用静电来控制化学反应，是一个可能带来更清洁的工业和更便宜的纳米技术的一个重要突破。

Shaik很高兴看到他“白日梦”一般的理论被实验证实。尽管这一方法目前还不能用于大规模的合成，但他坚信这一突破性发现有可能最终改变化学家们合成分子的方式。他说，“我坚信未来的实验室里，合成一个分子不再需要在烧瓶中混合化合物并加热了，加个电场就可以搞定。”

1. http://www.nature.com/nature/journal/v531/n7592/full/nature16989.html

2. http://cen.acs.org/articles/94/i10/Zapping-Diels-Alder-reactions.html