英文原题：Wireless Electrochemical Reactor for Accelerated Exploratory Study of Electroorganic Synthesis
通讯作者：莫一鸣
作者：陈杰、莫一鸣
背景介绍
有机电化学合成技术为精细化学品和活性药物分子的合成提供了一种绿色环保、符合可持续发展理念的手段。然而目前的电化学反应装置存在操作步骤繁琐、反应器结构复杂、难以适用于自动化高通量筛选等挑战，这阻碍了有机电化学合成技术在医药工业等领域的大规模应用。为了解决上述挑战，近日浙江大学莫一鸣老师团队开发了一种基于无线电能传输的电化学筛选技术（Wi-eChem），大幅度提高了电化学反应的可操作性。
文章亮点
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基于无线电能传输的电化学筛选技术（Wi-eChem）的核心是一个微型无线电化学磁力搅拌子（Wi-eChemStir），通过在Wi-eChemStir上安装电极并使用无线电能传输替代导线供电的方式，允许化学家以类似于传统有机反应的方式执行电化学反应。
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由于电化学合成操作的显著简化，本工作还构建了以Wi-eChem系统为关键部件的全自动电化学合成平台，以实现电化学合成参数的高通量筛选。
图文解读
图1. Wi-eChem系统的零件构成和使用流程图解
视频1. Wi-eChem系统操作过程展示
1. 该系统使用3D打印构建所有机械部件，并使用PCB构建微型无线电能传输电路，实现低成本的设计和技术可转移性。
2. Wi-eChem系统单次筛选体积最小为4 mL，同时小型化的体积（长134 mm×宽 94 mm× 高75 mm）允许其在通风橱和自动化平台中轻松实现多通道结构，因此可以凭借反应体积小和筛选通道多的优势提高筛选效率。
3. 在操作Wi-eChem系统时，仅需将装有电极的Wi-eChemStir放入装有反应试剂的玻璃小瓶中，并设置电解电压以启动电化学反应（图1d和视频1）。该过程类似于进行传统的热化学反应，从而大幅度简化操作流程；
图2. Wi-eChem系统应用于电化学羧基醚化、电化学还原烯烃-酮偶联中
1. 在基于NaOH的Hofer-Moest电化学羧基醚化的应用中，使用相同的Wi-eChemStir进行的十次重复实验（3.0 V和8 h的电解反应）得到了稳定的产率（90-100%），Wi-eChemStir的使用时间超过80 h而没有观察到反应产率的明显下降，证明了Wi-eChem系统的实验重复性良好，使用寿命长。在基于硅胶固定碱的电化学羧基醚化的应用中，Wi-eChem系统在更加严苛的环境中（5.0 V 和10 h的电解反应）仍然表现出耐化学腐蚀，装置稳定性良好的特点。
2. 在电化学还原烯烃-酮偶联的应用中，通过电极材料、电解质种类和电解电压这三种条件的筛选，证明了Wi-eChem系统具备有机电化学合成参数筛选的能力。
图3. Wi-eChem系统为关键部件的全自动电化学合成平台及其应用。
视频2. Wi-eChem全自动电化学合成平台的运行视频
1. 在硬件层面，该自动化平台由五个核心功能模块组成：（1）SCARA机械臂（2）四通道Wi-eChem系统（3）样品过滤模块（4）洗针站（5）溶液储存区；
2. 在软件层面，开发了一种“scheduler-worker”的控制方案，使用LabVIEW作为图形前端，Python作为执行后端，最大限度提高自动化实验效率；
3. 通过对电化学镍催化氧化反应中多种参数的自动化筛选，证明了该自动化平台的实用性，解决了由于电极插入、导线连接、反应器密封和高成本恒电位仪等因素导致电化学无法像热化学和光化学一样容易实现自动化以加速分子筛选和开发的难题。
总结与展望
本工作所展示的无线电化学合成技术变革了电化学反应的方式，利用开源低成本的3D打印结构零件和PCB电子元件实现装置的微型化，可用于毫升级电化学反应，大幅度提高电化学反应筛选的效率。该技术概念验证为将其它先进的微电子器件集成到微型无线磁力搅拌子中提供了可行路径，以实现过程分析技术（PAT）对反应进行监测。
ACS Publications非常荣幸地专访了本文的通讯作者莫一鸣教授：
专访莫一鸣教授
1. 本篇工作所聚焦的前沿问题是什么？本研究的重要性与创新性体现在哪些方面？
电化学有机合成开发过程中因装置复杂、可重复性不高、难以与现有的自动化筛选耦合等难题，严重限制了新型反应的开发。本工作基于无线电传输的技术，构建了一种无线的电化学反应装置，可像传统化学反应一样操作电化学反应，大幅度降低了电化学反应筛选的难度。
2. 您为什么选择ACS Central Science期刊？
ACS Central Science在综合类高水平化学期刊中，特别注重文章的创新性，是一个很好的平台向化学相关领域的广泛读者传播最新的前沿进展。
3. 您所在的研究领域面临的主要挑战有哪些？有哪些重要的科学问题亟待解决？
有机电化学合成作为一种绿色环保的新合成方法，为合成化学提供了新的可能性，但目前仍存在着装置复杂、电极寿命低、实际放大与应用尚缺乏标准工艺设计策略等问题。有机电化学是典型的非均相催化反应过程，理解电极表面的反应与传质，并与溶液化学进行高效耦合，是开发高效电化学反应的关键；进一步，如果将实验室毫克级放大到公斤甚至吨级的生产，需要进一步深入理解实验室毫升反应装置与工业电解装置之间的关系。
4. 人工智能是否会重塑合成化学？智能合成的未来发展方向有哪些？
高质量实验数据是AI有效应用于合成化学的关键，但合成化学的标准化数据库缺乏，已报导数据一致性与可重复性参差不齐，限制了AI算法进一步提高预测合成化学反应的精准度。因此，需要开发高效且低成本的合成实验大数据获取方法，开发适用于自动化合成与筛选的反应与分析装置是重要的实现路径。
通讯作者信息
莫一鸣博士，浙江大学化学工程与生物工程学院“百人计划”研究员，博士生导师。2014年本科毕业于清华大学化工系，2019年博士毕业于麻省理工学院（MIT）化工系。至今在Science，Angew. Chem.，ACS Central Science等国际顶尖杂志发表多篇高水平论文，研究方向包括：电化学有机合成、微流控、高通量筛选与人工智能等。曾获“35岁以下科技创新35人”、国家级青年人才计划、浙江省“鲲鹏行动”计划等荣誉，主持国家重点研发计划（青年首席科学家）等项目。
课题组主页：
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转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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