无介质研磨直接机械催化铃木偶联反应：从球磨机到声共振混合器

无介质研磨直接机械催化铃木偶联反应：从球磨机到声共振混合器

机械化学是一门研究机械力（如研磨、剪切、碾磨或混合）引起的化学反应的学科。近年来，声共振混合技术作为一种创新的机械化学方法，因其高效、环保和易于放大的特点，在多个领域展现出广阔的应用前景。本文将详细介绍声共振混合技术在无介质研磨、直接机械催化、维生素C-烟酰胺共晶合成、负温度系数热敏电阻制造以及金属有机框架合成等领域的应用。

无介质研磨直接机械催化铃木偶联反应：从球磨机到声共振混合器

在过去的几十年里，机械化学已成为寻求可持续化学实践的科学家们的主要研究领域。其无溶剂特性在避免浪费方面特别有吸引力，这是绿色化学的一个核心要素。机械化学反应主要在球磨机中进行，移动的研磨球引入机械能，促进反应系统内的混合。 在直接机械催化过程中，研磨介质本身由催化活性材料如钯或镍制成，这种新型催化剂的引入便于催化剂的处理、分离和回收，然而，所用的研磨材料通常是非常昂贵的。为了解决这个问题，近期提出了一种针对研磨材料的电镀工艺，在研磨球表面涂覆一层纳米级的催化剂。 这种涂层磨球成本相对较低，同时展现出与实心磨球相同的催化活性。 然而，磨损仍然是一个问题。

在本研究中，我们证明了直接机械催化可以在没有研磨介质的情况下进行，即在没有研磨球的情况下。 我们将这种无介质研磨的概念通过声共振混合技术来实现，这是一种目前作为机械化学（包括共结晶、功能材料、纳米粒子、MOF合成和催化反应）的有前景的技术，因其能够快速有效地混合。 声共振混合技术本质上避免了研磨介质的使用，因此避免了由研磨介质磨损造成的产品污染问题，并且与传统球磨机相比，提供了更好的可扩展性。

与之前的系统相比，声共振混合技术的研磨容器寿命显著延长，为多次反应提供了更高的耐用性，这些都突显了无研磨介质的机械化学作为一种有前景方法的优点。 声共振混合技术通过流变改性，减轻与研磨介质磨损相关的有害副作用，同时增强反应动力学的能力，为未来的研究和应用开辟了一条有吸引力的新路径。

通过声共振混合进行直接机械催化

机械力化学是一种多用途的合成方法，它避免了大量溶剂的需求，因此在本质上更加绿色环保。此外，这种方法可以提供利用其他方法难以实现的反应和产物。 传统的机械合成依赖于使用球或螺杆产生的冲击和混合效果，而声共振混合作为一种新兴策略，能够在无需研磨或粉碎介质的情况下进行机械化学反应。由于省去了研磨介质，声共振混合不仅简化了反应设计，还避免了因碎裂和磨损造成的产品污染，同时也便于放大反应规模。 迄今为止，声共振混合已成功应用于合成金属-有机框架、共晶体、机械氧化还原催化以及某些金属催化转化等领域。

研究显示，声共振混合技术能够使用简单的铜线圈作为催化剂，在多种底物上实现快速、简便且高产率的直接机械催化，例如铜催化的炔-叠氮化物偶联反应。 此外，该技术还能简单且以克级规模合成API卢非酰胺。在声共振混合条件下，直接机械催化可以在一个温和且无冲击的环境中发生，完全依赖于试剂与铜表面的高速混合，无需特别设计的研磨容器和介质。 该合成使用了迄今探索不多但易于扩展的声共振混合平台，这为进一步简化和发展具有高度选择性的机械化学表面催化合成提供了基础。 更广泛地看，涉及原料金属作为催化剂或反应物的反应正在成为机械力化学领域特别有前景的方向，而声共振混合技术为这一领域的发展开辟了令人振奋的新路径。

声共振混合在维生素 C-烟酰胺可变化学计量比共晶合成中的应用

药物共晶是由一种药物和一种共构象异构体组成的固态混合物，它们在室温下形成同一晶格结构。共结晶技术已经发展成为提高疏水性小分子药物溶解度和口服生物利用度的一种有效策略。 同时，共晶体还被证明可提升药物的机械性能和物理稳定性。鉴于共晶体在药物研发中的这些显著优势，研究人员投入了大量精力，致力于探索和确定制备共晶体的各种方法。 机械化学方法，如采用球磨机的纯研磨和液体辅助研磨，已被证明是优于传统的基于溶液的共晶生成技术。球磨机在机械化学反应中是一个有效的工具，适用于小规模的共晶筛选和制造，但其规模放大却存在困难。 近几年来，双螺杆挤出和声共振混合技术已被证实能够在仅使用少量溶剂的情况下，实现共晶体的大规模生产。双螺杆挤出技术利用两个旋转螺杆产生的高混合能力和高剪切力，实现共晶体的机械化学合成。 而声共振混合技术则通过使用高强度低频声波能量来混合粉末，与双螺杆挤出不同，声共振混合中的反应物与混合元件无接触。这种非接触式的混合技术，在大规模生产过程中具有易于设置和清洁的优势。

研究人员利用声共振技术成功合成了烟酰胺和维生素C的可变化学计量比共晶。声共振技术被证实是一种可扩展、环境友好且无需接触的制造可变化学计量比共晶的方法。 声共振混合技术与双螺杆挤出技术一同被认定为两种重要的共晶体制备技术手段，而声共振混合技术不仅能够实现机械化学反应的规模放大，而且还具备制造过程中产品不与混合元件接触的额外优势。

制造负温度系数热敏电阻的新方法——声共振混合技术

机械化学是一个跨学科的广泛研究领域，吸引了众多来自不同学科背景的研究者，包括材料科学家、化学家和化学工程师、机械工程师、物理学家、金属学家、地质学家和矿物学家等，他们从各自的专业角度探讨机械化学的奥秘。 在众多使用混合设备进行生产的行业中，对于能够提升生产效率和降低制造成本的全新混合技术持开放态度。声共振混合技术作为一种创新的加工方法，显著提高了材料生产的成本效益。 与传统的机械化学技术相比，这种高效且先进的混合技术具有众多优势，例如，它通过缩短加工时间、提升混合均匀性和减少对颗粒的破坏，从而降低了制造成本。声共振混合技术的另一个显著优势是，它能够处理具有不同材料特性、尺寸和形态的粉末，适用于固体-固体和固体-液体系统的混合。 此外，这种混合过程的效率远高于传统机械化学技术。通过添加适当的研磨介质，声共振技术还能够用于减小颗粒尺寸或改变颗粒形态。 与超声波搅拌相比，声共振混合系统具有更低的声能频率和更大的混合能力。此外，声共振混合设备是一种简单的机械驱动搅拌器，可以规模化生产，以合理的工业成本完成大规模任务。

研究人员利用声共振混合技术成功制备了负温度系数（NTC）热敏电阻，并将其与传统球磨技术制备的样品进行了对比分析。这项研究证实，声共振混合技术通过缩短加工时间，降低了制造成本，为未来利用共振声混合技术进行负温度系数热敏电阻的快速、成本效益制造提供了新的研究方向。 声共振混合技术有望在NTC热敏电阻的生产领域占据重要位置。这一研究成果将为未来利用声共振混合技术低成本制造NTC热敏电阻奠定基础。

使用液体辅助声共振混合的金属有机框架的简单、可扩展的机械合成

在过去十年，通过碾磨、研磨或剪切进行的机械化学合成，已被广泛应用于多种工艺中，如药物活性成分、共晶体的合成，以及金属有机框架（MOFs）和纳米颗粒材料的制备。 在无溶剂或溶剂受限条件下进行的快速室温机械化学反应，不仅在绿色化学的背景下极具吸引力，而且能够提供基于传统溶液合成中难以实现的新材料、新反应和反应选择性。 实验室或工业规模的机械化学反应通常采用球磨或双螺杆挤出技术，这些技术依赖于研磨介质或设备中旋转螺杆产生的研磨力或剪切力。 最近的报道开始探索无需这些组件的机械化学反应，例如采用超声波或声频搅拌的方法，这两种新兴技术具有巨大潜力，因为它们原则上可以显著简化样品的制备和放大过程。

声共振混合技术已被证实是一种简单、快速且易于扩展的方法，用于合成不同复杂程度的金属有机框架，包括二维和三维网络。 该方法基于高能低频声学搅拌，无需使用大量溶剂，并且与其他MOF合成机械化学方法相比，无需研磨介质，从而可以简单地将合成规模从数百毫克放大到数十克，同时仍可以使用金属氧化物作为起始材料。 声共振混合技术作为合成其他类型功能材料的通用和可扩展路径的应用正在进一步研究中，同时也在探索使用液体添加剂和催化剂来增强声学搅拌在固态环境中的反应能力。