早在19世紀，諾貝爾化學獎得主奧斯特瓦爾德就提出了機械化學（Mechanochemical）的概念。所謂機械化學，顧名思義，與機械力學和化學密切相關，可以實現機械力學和化學在分子尺度上的耦合，主要研究化學試劑在機械力的作用和誘發下發生的化學反應、物理化學性質演變和內部微觀結構變化。
然而，由於機械化學反應過程中會發生多種副反應，而表徵機械化學反應又極為困難，嚴重限制了機械化學反應機理和過程的深入研究，導致機械化學反應一直以來鮮受關注。過去十幾年間，機械化學引起了廣泛的關注，當前正處於令人興奮的復興及重新開發的階段。
諾貝爾化學獎得主 奧斯特瓦爾德
與傳統的合成方法相比，依靠機械力的機械化學基本不需要溶劑，能耗低、反應速度快，同時可以合成一些光、熱等傳統合成方法無法合成的材料，滿足現代化學（化工、醫藥等）工業對可持續合成的需求，是一種很符合「綠色化學」原則的合成方法。而且，機械化學研究還可以提供對化學鍵斷裂機理的深刻見解。機械化學已廣泛應用於許多基礎研究領域，例如納米粒子製備、有機物和聚合物合成、聚合物加工、塑料或橡膠的回收、電化學儲能、水處理、藥物共晶體合成、金屬有機骨架、有機半導體、石墨烯剝離，碳納米管的切割、動態共價化學和自修復材料。
12月20日，日本北海道大學的Koji Kubota和Hajime Ito在Science發表論文，報導了一種基於壓電材料的機械化學氧化還原反應，通過球磨法驅動壓電材料鈦酸鋇觸發單電子轉移，實現無溶劑機械氧化催化芳基重氮鹽的芳基化和硼化反應。四川大學夏和生教授與西北工業大學王振華副教授在Science同期撰寫了perspective評述論文，總結了近年來機械化學領域的最新進展。
機械化學
機械力一般通過研磨、擠壓、剪切、摩擦等手段施加，從而誘發反應物化學物理性質變化，使物質與周圍環境中的固體、液體、氣體發生化學轉化。隨著機械行業的發展，各種高能研磨設備的不斷出現使機械化學在多個化學領域得到應用。機械化學的途徑包括機械力誘導的降解、活化、催化和引發等。
目前，通常使用高能球磨、盤磨、超聲或水力空化器等機械方式來產生裂解有機分子或聚合物的共價鍵所需的苛刻條件。雖然這些方法可以為機械化學反應產生高剪切力，但無法滿足大規模合成的要求。
在過去的十年中，機械化學不斷探索更為溫和的方法，發展出了雙螺杆擠出、攪拌、壓縮和拉伸等較為溫和的技術，但它們的實際應用也面臨著其他問題，例如：依賴於含弱鍵的機械應力聚合物或金屬有機配合物等新材料。
壓電材料可以通過對應力的響應產生電荷，而且可以高效地將機械能轉化為化學能，為溫和的機械化學提供了一種新的方法。壓電材料常與低功率超聲相結合，觸發活性物質的生成，例如，壓電材料可以在超聲下作為還原劑催化單體聚合，用於超聲機械化學控制原子轉移自由基聚合。
機械化學如何驅動有機合成
可見光氧化還原催化反應是當代有機合成技術的一個重要發展方向。在這些轉化中，光激發催化劑可以作為一種有效的單電子氧化劑，將電子轉移到受體，然後在基態催化劑的伴隨再生下，供體的單電子氧化提供產物。光氧化還原催化的成功取決於偶聯劑對氧化還原活化的敏感性和隨後的成鍵反應的高效性和選擇性。
自奧斯特瓦爾德(Ostwald)在1887年引入機械化學一詞以來，機械化學合成在材料科學、高分子化學、無機合成等領域得到了廣泛的應用，但在有機合成領域的應用較晚。近年來，機械化學有機轉化也取得了較大的進展。機械化學合成的優點包括避免潛在有害的有機溶劑和外部加熱，縮短反應時間，和更簡便的操作工藝。此外，機械化學反應特別適用於難溶於普通有機溶劑的底物。
壓電材料驅動小分子有機合成
受到基於光輻照的光氧化還原系統和機械化學中球磨的啟發，日本北海道大學的Koji Kubota、Hajime Ito等人假設小有機分子的氧化還原活化可以通過利用機械能的方式實現。通過球磨的壓電材料的攪拌可以產生暫時高度極化的粒子，這些粒子可能作為強還原劑，將電子轉移到小的有機分子上，然後對供體進行氧化猝滅，從而以類似於光氧化還原催化的方式誘導選擇性成鍵。
研究人員在混合物中加入壓電催化劑可以通過明顯的電子轉移循環促進鍵的形成。壓電材料鈦酸鋇被用於球磨來觸發單電子轉移氧化還原反應，而且成功地對各種芳基重氮鹽進行了機械氧化還原活化，實現了芳基化和硼化反應。對芳基重氮鹽，呋喃和鈦酸鋇的混合物施加機械力觸發氧化還原反應。在球磨過程中，鈦酸鋇顆粒變形並轉變為電荷分離狀態，同時充當氧化劑和還原劑。電荷分離的鈦酸鋇顆粒可有效地淬滅自由基加成中間體。通過單電子轉移反應將芳基重氮鹽還原為自由基，進一步進行自由基加成合成。
要點1. 有機合成中激活有機小分子的機械化學反應
選擇商業上易獲得的、廉價且易於處理的BaTiO3納米顆粒作為壓電材料。在球磨機中機械攪拌，BaTiO3的在機械衝擊下產生臨時的電化學電位，適合於激活有機合成中氧化還原活性的小有機分子。
圖1 在有機合成中激活有機小分子的機械反應體系的機理示意圖
要點2. 機械力作用下的芳基化和硼基化
研究機械氧化1a和呋喃(2a)的C-H芳基化反應發現，壓電材料是芳基化反應的關鍵。而且，在較高的球磨頻率(30HZ)下進行反應可以顯著提高產率(81%)，說明所需的壓電電勢是由BaTiO3球磨提供的機械力產生的。而且研究發現，只有壓電性的鈦酸鋇能產生良好的反應產率，而非壓電顆粒產率低得多，甚至沒有反應。使用液體輔助研磨(LAG)來提高反應性，使用乙腈(MeCN)作為滯後添加劑可以提高5a的收率，而其他常用溶劑，如N、N-二甲基甲醯胺(DMF)、DMSO、甲苯或己烷的收率幾乎沒有提高。當使用MeCN作為滯後添加劑時，延長反應時間可以提高3a的收率(89%)。與類似的光氧化還原反應相比，現有的機械氧化硼化反應具有更快的反應動力學和更好的產品收率。
圖2 機械力作用下的芳基化和硼基化
要點3. 芳基重氮鹽的機械氧化芳基化和硼化反應
使用5 ml的不鏽鋼研磨罐和7.5 mm直徑的不鏽鋼球，探索了與各種芳基重氮鹽進行機械氧化芳基化反應的範圍。在優化條件下，可以將缺電子的芳基重氮鹽(1a~1h)較好地轉化為所需產物(3a~3h)。然而，在富含電子的甲氧基取代重氮鹽(1l)的情況下，產物(3l)的收率相對較低，這可能是由於1l相對較高的還原電位。利用其他異芳烴，即噻吩和吡咯，成功地反應生成了所需的產物(3m和3n)。硫代重氮鹽的芳基化反應生成了相應的雜環(3o和3p)，證明了機械氧化硼化反應條件適用於多種芳基重氮鹽。
圖3芳基重氮鹽的機械氧化芳基化和硼化反應
要點4. 克級合成、催化劑回收和多芳烴的芳基化
從粗反應混合物中分離並洗滌後，在相同的反應條件下，至少三次重複使用BaTiO3進行呋喃(2a)的機械氧化芳基化反應，3k的產率才會大幅度下降。使用機械氧化法對多環芳烴C-H芳基化的可行性進行研究，發現1f與芘(6a)在BaTiO3和少量MeCN作為滯後添加劑的存在下進行反應，得到了理想的C-H芳基化產物(7aa)，其收率高，具有較高的區域選擇性(7aa:7ab = 92:8)，這些結果表明機械氧化芳基化是一種操作簡單、性質溫和的方法，可以從與光氧化條件不相容的難溶底物中合成功能化的多環芳烴。
圖4 探索克級合成、催化劑回收和多芳烴的芳基化
要點5. 機械研究
機械氧化還原與BaTiO3的活化是通過自由基途徑進行的。球磨提供的機械刺激能有效地傳遞到BaTiO3顆粒上，從而在BaTiO3顆粒表面產生局域電化學電位，可用於芳基重氮鹽的活化。為了研究球磨過程中的摩擦是否會產生熱效應，在2a與1a的機械氧化芳基化過程中，使用熱像儀測量了磨缸內的溫度，發現在球磨機中芳基化後的溫度約為30℃，這就降低了球磨機提供的熱量使芳基重氮鹽熱活化生成芳基自由基的可能性。此外，傳統的錘子敲擊機械化學法，捶打超過200次，產率43％，機械氧化還原法依然有效，證明了機械氧化轉化的魯棒性。
圖5 機械研究
小結
總的來說，球磨法驅動機械氧化反應策略，具有許多優勢：
1）反應物和催化劑都可以是固體形式，避免使用溶劑；
2）球磨工藝在工業中廣泛使用；
3）壓電催化劑具有良好的可回收性，成本相對較低；
4）採用不同的壓電材料可以調節氧化還原電勢，以滿足更多的氧化還原反應要求。
現代機械化學正迅速擴展到化學和材料科學的眾多領域，將重心從合金化和無機材料轉向催化、自組裝以及分子結構合成等。儘管機械化學為眾多化學轉化提供了一個更清潔有效的方式，但該領域現在仍然處於起步階段。
現在，機械化學所面臨的主要挑戰在於機理層面，，目前缺乏一種普適性的機械化學機理，因此需要開發新的專業設備、精確的理論模型和廣泛的系統研究，並與機械化學反應環境的通用、定量模型相整合。
相信隨著反應機理研究的進步和反應設備及技術的開發，機械化學未來會湧現更多讓人吃驚的新突破。
參考文獻:
1.Koji Kubota et al. JRedoxreactions of small organic molecules using ball milling and piezoelectricmaterials. Science, 2019 366, 1500-1504.
DOI:10.1126/science.aay8224
https://science.sciencemag.org/content/366/6472/1500
2.Hesheng Xia, Zhenhua Wang. Piezoelectricity drives organic synthesis. Science,2019.
DOI:10.1126/science.aaz9758
https://science.sciencemag.org/content/366/6472/1451