自搅拌纳米反应器提高化学合成的反应效率

最近的技术进步为高效和可持续地合成各种有价值的化学品开辟了新的可能性。其中一些进步依赖于纳米技术、系统或技术，旨在设计和研究纳米尺度的材料或设备。

纳米反应器是设计用于在密闭空间内主持和控制化学反应的纳米技术。这些小结构充当微小的“反应容器”，能够精确操纵反应物、催化剂和条件，以引发所需的化学反应。

中国内蒙古大学、复旦大学和巨林大学的研究人员最近开发了一种新的桨状介孔二氧化硅纳米反应器，当暴露在旋转磁场中时可以自我搅拌。发表在《自然纳米技术》上的一篇论文中概述了这种纳米反应器，它可以在分子水平上混合化学物质，提高反应效率，从而可能增强各种化合物的合成。

“开发能够转换外部刺激以实现纳米级自持续运动（例如自转）的人工纳米材料系统，同时整合和部署多个活性位点的空间定位以揭示分子的粒内扩散模式，对于绿色合成化学具有重要意义，”马玉柱、郭培廷及其同事在论文中写道。

“我们展示了一个桨状自搅拌中孔二氧化硅纳米反应器系统，该系统具有分离的腔室和可控的活性位点接近度。”

马、郭和他们的合作者开发的新纳米反应器本质上是一个微小的海绵状结构，具有分子可以穿过的孔。值得注意的是，当向其施加旋转磁场时，这种海绵状结构可以自主旋转，产生搅拌运动，在分子水平上混合化学物质。

该团队的纳米反应器采用了磁性氧化铁（Fe₃O₄) 以及在不同腔室中分离的金（Au）和钯（Pd）纳米晶体。这种独特的设计有助于在纳米级水平上混合催化剂，为更精确地控制和增强生产特定化合物所需的化学反应铺平了道路。

“纳米反应器是通过在第一个腔室中封装磁性Fe3O4（~20 nm）而设计的，同时，Au和Pd纳米晶体在不同的域中是空间隔离的，”马、郭和他们的同事解释道。

“这种纳米反应器在旋转磁场下产生纳米级旋转，与常规宏观搅拌相比，在5,6-二甲基菲咯啉的级联合成中表现出一个数量级的活性增强（96.4%的选择性）。我们定量地发现了反应中间体顺序和反向转移中的旋转诱导增强，从而揭示了自转和邻近效应在控制催化性能方面的相关性。“

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作为他们研究的一部分，马、郭和他们的同事使用桨状纳米反应器合成了有机化合物5,6-二甲基菲咯啶，该化合物广泛用于制造工业材料以及医疗和制药行业。

研究人员能够以96.4%的显著选择性合成这种化合物，这明显高于传统宏观搅拌技术产生的选择性。未来，新引入的纳米反应器可以进一步改进并应用于其他化合物的合成。此外，其基础设计可能很快会激发类似纳米技术的发展，从而提高效率和可持续性f化学制造或合成工艺。p