Onderzoekers hebben aangetoond dat mechanische kracht chemische reacties kan starten, ze goedkoper maken, breder toepasbaar, en milieuvriendelijker dan conventionele methoden.

Chemische reacties worden het meest conventioneel in gang gezet door de reactiemengsels op te warmen. In de afgelopen tien jaar, er is uitgebreid onderzoek gedaan naar "photoredox-katalysatoren" die kunnen worden geactiveerd door zichtbaar licht en zeer specifieke en efficiënte chemische reacties mogelijk maken. Echter, deze reacties vereisen vaak een grote hoeveelheid schadelijke organische oplosmiddelen, waardoor ze alleen van toepassing zijn op oplosbare reactanten.

Van piëzo-elektrische materialen zoals bariumtitanaat is bekend dat ze elektrische potentialen genereren wanneer er mechanische druk op wordt uitgeoefend, daarom worden ze gebruikt in microfoons en aanstekers. In de huidige studie gepubliceerd in Wetenschap , het onderzoeksteam onder leiding van Hajime Ito en Koji Kubota van het Institute for Chemical Reaction Design and Discovery (WPI-ICReDD) aan de Hokkaido University bewees dat dit elektrische potentieel ook kan worden gebruikt om chemische reacties te activeren. "In ons systeem we gebruiken de mechanische kracht van een kogelmolen om een ​​piëzo-elektrisch materiaal te activeren voor redoxreacties, terwijl het gebruik van organisch oplosmiddel wordt geëlimineerd, ", zegt Koji Kubota. Ze noemen het een mechanoredox-reactie in tegenstelling tot een photoredox-reactie.

Het team toonde aan dat elektrische potentialen afgeleid van piëzo-elektrisch materiaal (BaTiO3) een verbinding activeren, aryldiazoniumzouten genaamd, die zeer reactieve radicalen genereert. De radicalen ondergaan bindingsvormende reacties zoals arylering- en boryleringsreacties - die beide belangrijk zijn in de synthetische chemie - met een hoge efficiëntie. Het team toonde ook aan dat de boryleringsreactie kon optreden door met een hamer op het mengsel in een plastic zak te slaan.

"Dit is het eerste voorbeeld van arylerings- en boryleringsreacties met behulp van mechanisch geïnduceerde piëzo-elektriciteit, ", zegt Koji Kubota. "Ons oplosmiddelvrije systeem met een kogelmolen heeft ons in staat gesteld om organische oplosmiddelen te elimineren, de reacties gemakkelijker te hanteren maken, milieuvriendelijker, en zelfs toepasbaar op reactanten die niet kunnen worden opgelost in het reactieoplosmiddel." Ze kunnen ook het bariumtitanaat recyclen en betere opbrengsten behalen dan fotoredoxreacties, de aantrekkelijkheid van deze aanpak nog verder vergroten.

"We onderzoeken nu de afstembaarheid van het mechanisch gegenereerde elektrische potentieel. Samen met computationele voorspellingen, we willen de toepasbaarheid van deze techniek uitbreiden, ", zegt Hajime Ito. "Ons doel is om bestaande photoredox-benaderingen aan te vullen of op zijn minst gedeeltelijk te vervangen en een milieuvriendelijk en kostenefficiënt alternatief te bieden voor gebruik in industriële organische synthese."