北海道大学的研究人员开创了氧化还原化学中的多米诺骨牌反应，他们创造了一种分子，这种分子经历了结构变化，以促进顺序反应。这一突破可能会影响纳米技术、可再生能源电池和具有可调节电子性能的材料的未来发展。
科学家们首次成功地利用氧化还原化学传递了一种被称为多米诺骨牌反应的效应。
当一个化学基团的转变刺激另一个附着的基团或其他分子的反应时，就会发生多米诺反应，导致整个系统迅速产生连锁反应，就像一排倒下的多米诺骨牌一样。北海道大学的研究人员现在已经在化学分支氧化还原化学中实现了多米诺骨牌反应的第一个例子。
多米诺骨牌反应是一系列的化学反应，每个反应都会引发一系列的下一个反应，就像倒下的多米诺骨牌(上图)。在多米诺骨牌氧化还原反应中，每个反应都会引起结构变化，从而触发该系列中的下一个氧化还原反应(下图)。图片来源:Takashi Harimoto等。安吉旺特化学国际版。2023年11月28日
了解氧化还原化学
“氧化还原”一词来自“还原”，指的是获得电子，“氧化”指的是失去电子。因此，氧化还原反应是电子转移过程。
“在氧化还原过程中实现多米诺骨牌反应的问题是，电子转移，特别是多电子转移，会产生带电物质，其静电相互作用会抑制进一步的变化，”北海道团队的化学家Yusuke ishiaki说。
分子SS-BQD经历了多米诺-氧化还原反应，得到了化合物的萃取形式(上图)。这种多米诺骨牌氧化还原反应最初是由热触发的，热引起结构变化，从而导致多米诺骨牌氧化还原反应。图片来源:Takashi Harimoto等。安吉旺特化学国际版。2023年11月28日
创新分子设计
为了克服这些障碍，研究人员设计了一种由两部分组成的分子，当其中一部分在电中性(还原)和带正电(氧化)状态之间转换时，这种分子会发生重大的结构变化。这种结构变化将化学效应传递到分子的另一部分，使其更容易氧化。
他们设计的分子由两个相对较大的氧化还原活性单元组成，由硫原子形成的非平面柔性连接连接。当其中一个成对单元失去电子(被氧化)时，它获得两个正电荷，这就像触发器一样，导致分子的另一部分绕着核心旋转。这种扭曲形式的电子的状态从最初的折叠形式改变，然后促进氧化过程发生在邻近的基团，实现多米诺骨牌效应。
第一作者Takashi Harimoto(左)和通讯作者Yusuke Ishigaki(右)站在x射线仪器(Rigaku XtaLAB Synergy-S)前。来源:石垣佑介
潜在的应用和未来的影响
反应的初始触发可以通过温度升高来启动，从而提供一种控制手段。尽管到目前为止，这种效应只在两部分分子中得到证实，但研究人员认为，它最终可能被用于在更大的分子中传输波状氧化还原转化，这些分子中有许多“多米诺骨牌”单元连接在一起。
这一发现的应用可能是遥远的未来，但显然有一些普遍的可能性。例如，通过分子链传输的电子和结构转换可以成为化学计算系统和传感器的纳米级移动部件。在新电池系统中也有可能应用，以支持正在进行的向可再生电力技术的过渡。
石垣说:“加热和冷却提供的控制可以用于许多领域，以制造具有可切换电子特性的新材料，特别是那些涉及多电子转移的材料。”
石垣总结道:“这是非常具有挑战性的，但也非常令人满意，证明了以前没有人取得的成就，我们现在希望进入更大、更复杂的系统，包括增加电子转移。”
参考文献:“由电化学触发的构像变化引起的多米诺-氧化还原反应”，作者:Takashi Harimoto, Tomoki Tadokoro, Soichiro Sugiyama, Takanori Suzuki和Yusuke Ishigaki, 2023年11月16日，Angewandte化学国际版。DOI: 10.1002 / anie.202316753
本研究由日本文部科学省、日本科学促进会、日本科学技术振兴机构、离子工程促进基金会和材料与器件五星联盟网络联合研究中心(NJRC)研究计划资助。
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