Десятилетиями ключевые этапы химических реакций проходили слишком быстро, чтобы их можно было разглядеть, — это мешало улучшать процессы, от которых зависит создание лекарств и новых материалов. В National Science Review вышло исследование, где описан чип на основе графена, способный снимать реакции с наносекундной точностью — в 1000 раз быстрее существующих методов.

С его помощью ученые поймали неуловимые промежуточные формы в реакции Мориты-Байлиса-Хиллмана (МБХ), которую широко используют для создания углеродных связей, но она остается малоэффективной. Наблюдения в реальном времени показали два пути переноса протона: быстрый «челночный» (кинетический) и более стабильный ступенчатый (термодинамический). Неожиданно выяснилось, что на уровне отдельных молекул реакция идет рывками — из-за петли обратной связи, где энергия подпитывает сама себя.

Реакция Мориты-Байлиса-Хиллмана (МБХ) — процесс, где углеродные связи образуются между альдегидами и активированными алкенами в присутствии катализатора (обычно амина). Медленная и капризная, но ценная для органического синтеза: позволяет собирать сложные молекулы без металлов.

Электрическое поле чипа ускорило процесс до 5000 реакций в секунду — это намного быстрее традиционных методов. Команда масштабировала подход: за час на плотно упакованных молекулярных устройствах синтезировали несколько соединений, а их состав проверили масс-спектрометрией. Так открылся путь к энергоэффективному «производству на чипе».

Это как поставить молекулам скоростную камеру, — говорит ведущий автор Сюэфэн Го. — Теперь, видя динамику, мы сможем осознанно создавать катализаторы и экологичные методы синтеза.

Польза исследования

• Оптимизация синтеза лекарств: если понять, как идут реакции, можно сократить затраты на производство, убрать ненужные этапы, повысить выход нужного вещества.
• Зеленая химия: ускорение реакций в электрическом поле снижает энергопотребление и объем токсичных отходов.
• Новые материалы: контроль над промежуточными состояниями позволит конструировать молекулы с заданными свойствами — например, для гибкой электроники.

Главный вопрос — насколько метод масштабируем. Пока речь о лабораторных чипах с малым количеством вещества. Переход к промышленным объемам потребует решения проблем: как стабилизировать графен в агрессивных средах, избежать перегрева при высоких плотностях тока и удешевить производство самих чипов.

Ранее мы опубликовали 10 инноваций для химической промышленности.