1兆分の1リットルの水で化学反応の速度を100万倍に高めることはできますか？

水は最もありふれた物質ですが、同時に最も魔法のような物質でもあります。わずか1兆分の1リットルの水「一滴」でも化学反応を加速させることができ、その触媒効果は数え切れないほどの科学者を驚かせてきました。近年の化学分野における最先端のホットスポットである水滴の研究。現在、水滴は有機化学合成、窒素固定、炭素固定の分野で大きな応用可能性を示しています。しかし、反応を加速するメカニズムは不明であり、議論の余地さえあります。

著者：聶中尉、梁秋江、楊軍（香港大学化学学部）

01はじめに

水は生命を維持するために不可欠な物質です。水は工業生産や農業生産においても欠かせない原材料です。水は化学実験室でも重要な溶媒です。上記で必要な「大量」の水溶液以外にも、大気中の水蒸気など、自然環境中には1000兆分の1リットル（立方マイクロメートル）レベルの水も広く存在しています。驚くべきことに、近年の化学研究の深まりにより、このような小さな「微小水滴」が、一部の化学反応の速度を約 10 倍、さらには 1,000,000 倍に高めることができることが発見されました。水滴の研究は化学の分野で急速に話題になっています。読者がこの記事を読んでいる時点では、世界中の化学研究所で液滴化学の研究が活発に進められていると思われます。

02水滴研究の過去と現在

名前が示すように、水滴は直径が約 1 ミクロンから 1000 ミクロンの非常に小さな水滴を指します。その物理的構成は、水分子からなる液相、液滴を取り囲む気相（通常は空気）、および気相と液相によって形成される気水界面から構成されます。液滴の研究は化学合成の分野では比較的新しいものですが、日常生活やその他の科学研究において水滴は珍しいものではありません。家庭で使われる超音波加湿器は、優れた水滴発生器です。水は高周波の物理的振動により、直径1～10ミクロンの水滴に分解されます。これらの水滴は空気中に拡散し、室内の湿度を高めます。水滴は大気中の雲や霧にも広く存在しており、その物理的・化学的特性は大気の反応を研究する上で非常に重要です。最近まで、水滴はサイズが小さく、含まれる反応物質が限られており、高感度測定が必要であることから、化学合成での使用は限られていました。

化学分野における水滴の研究は 1970 年代にまで遡ります。高精度分析計測機器、特に高分解能質量分析計（イオンサイクロトロン共鳴など）の開発により、化学分野への応用が徐々に進み、化学反応速度の高精度な計測が可能になりました。関連研究の先駆者として、アメリカの化学者ジョン・ブラウマンは質量分析計を使用して多数の有機分子の反応速度定数を測定し、多くの気相反応の速度が対応する液相反応の速度よりもはるかに高いことを発見しました。 1980年代にエレクトロスプレーイオン化技術が誕生しました。高電圧を使用して液体をイオン化して帯電液滴にします。これにより、特定の反応物の帯電イオンを含む水滴が生成され、分析のために質量分析計に直接送られます。これを発明したアメリカの化学者ジョン・フェンは、この功績により2002年のノーベル化学賞も受賞した。

パデュー大学のグラハム・クックス教授のチームは、質量分析計を中心に、1990年代からイオン反応を研究し、その医学、生化学、有機化学への応用を模索してきました。この期間中、研究者らは水滴内でのさまざまな化学反応の反応速度を測定し、化学合成分野における水滴の可能性を予備的に示しました。 2011年、クックス教授のチームとその協力者は、ケトステロイドとジラール試薬Tの有機反応を創造的に利用して、水滴の加速効果を初めて明確に実証しました[1]。その後、クックス教授、スタンフォード大学のリチャード・ザレ教授、その他の学者たちは、この特性を化学合成に応用しようと試み始めました。彼らの研究により、多くの化学反応の反応速度は液滴中では水溶液中での反応速度よりもはるかに速く、加速率は最大 10^6 に達する可能性があることが示されました。

研究が深まるにつれ、液滴化学の可能性はますます多くの学者によって発見されています。開発から10年も経たないうちに、水滴による化学反応の加速のメカニズムの説明、反応の種類、潜在的な用途などの側面について徹底的な研究が行われてきました。同時に、液滴化学の研究は、窒素固定、二酸化炭素変換、生命の起源などの重要な問題に対する人々の理解を促進し、新しい反応経路の探索や反応の活性化エネルギーの低減にもつながると期待されています。水滴を利用することで、一部の化学反応に必要な実験室条件が、過酷な高温高圧から常温常圧へと変化します。これにより、化学反応に必要なエネルギー消費が大幅に削減されるとともに、反応の安全性が向上し、化学合成がよりクリーンで効率的かつ安全になります。

03 「水滴触媒」は驚くべき成果を達成した

研究により、水滴はさまざまな化学反応を大幅に加速できることがわかっています。例えば、ジラール試薬Tとケトステロイドなどのカルボニル化合物との反応により対応するヒドラゾン化合物が形成される反応、マイケル付加反応、脱水反応、シッフ塩基合成およびその他の付加脱離反応など。アミンと硫化物の酸化還元反応;マンニッヒ縮合などの一連の有機合成反応。金属イオン触媒によるタンパク質の折り畳みと展開の速度も水滴中で大幅に加速されることが分かりました。水滴は、これらのマイクロおよびナノスケールの化学反応において触媒や活性中心と同様の役割を果たし、研究者が新しい化学反応経路を探索し、迅速なマイクロ合成を研究するための強力なツールになります。

有機合成を加速し、窒素固定の新しい方法を提供できるこれらの液滴の大きな可能性を見てみましょう。

3.1 有機化学合成

有機反応は、多くの重要な工業製品や材料を製造するための基礎として、現代人類の生産において重要な役割を果たしています。その中で、アルデヒドを酸化してカルボン酸を形成する反応は、最も基本的かつ一般的な有機反応の 1 つであり、化粧品、可塑剤、繊維、バイオマス由来の化合物、医薬品の製造に広く使用されています。炭化水素やアルデヒドなどの化合物の酸化反応は、一次原料を金に変え、付加価値の高い製品を得るための重要な方法であると言えます。しかし、ほとんどのアルデヒドの化学的性質は比較的安定しているため、業界で一般的に使用されているアルデヒドの酸化方法では、通常、Cr(IV) ベースのジョーンズ酸化剤、Ag(I) ベースのトーレン試薬、Cu(II) ベースのフェーリング酸化剤、または過マンガン酸塩酸化剤などの遷移金属を含む強力な酸化剤を使用する必要があります。長い時間と大規模な生産要件を考慮すると、これらの従来の方法によって生じる高コストと環境への被害は無視できません。

酸素は天然の酸化剤として、環境に優しく、コストが低く、入手しやすく、原子利用率が高いなどの優れた特性を持っています。気体酸素を使用してアルデヒドを酸化し、カルボン酸を生成する方法は、長い間、学界と産業界によって研究されてきたホットなテーマです。

2018年、ザレのチームは水滴中の酸素を利用してさまざまなアルデヒドを酸化し、対応するカルボン酸を生成しようと試みました[2]。実験結果によると、水エタノール液滴と酢酸ニッケル触媒の作用により、試験した脂肪族、芳香族、複素環式アルデヒド化合物は、穏やかな条件下で30分以内に酸素によって酸化され、対応するカルボン酸を62%～91%の収率で形成できることが分かりました。

2,4-ジメトキシ-1を摂取...エレクトロスプレーノズルに配置された金属グリッドの直径と層数を調整することにより、液滴の直径が減少するにつれて反応収率が増加し、直径3ミクロンで最大値に達することが研究で判明しました。逆に、液滴の直径が90ミクロンのように大きすぎると、酸化反応の収率は5％未満になります。液滴の直径と収率の関係は、これらのアルデヒドの酸化に対する液滴の加速効果が、液滴を包み込む気液界面で発生することを示しています。

アルデヒド酸化などの実際の有機合成における水滴の応用にはまだ多くの詳細な研究が必要ですが、水滴が示す優れた触媒効率と酸化特性は、化学合成の分野での応用の見通しを示しています。

3.2 生体分子を合成するための非生物学的方法

水滴の研究は生命の起源に関する新たな知見をもたらしました。生命の起源に関する基本的な理論では、海洋中に存在したペプチドやヌクレオチドなどの基本的な生物学的分子が生命の起源に必要な条件であったとされています。地球上の生命は水から生まれました。しかし、生命が誕生する前、地球の表面は海で覆われていました。環境中の過剰な水分子がアミノ酸間の脱水反応を妨げ、ペプチドの生成に影響を与えた可能性があります。生物におけるタンパク質合成は、さまざまな生物学的酵素の触媒機能に依存しています。酵素が存在しない自然環境において、非生物学的な方法によってアミノ酸がどのようにして単純なペプチド分子に変換されるのかは、生命の起源を研究する上で重要な問題です。

科学者たちは水滴中のグリシン（Gly）とアラニン（Ala）の反応を研究した[5]。この実験では、エレクトロスプレーイオン化を利用してグリシンまたはアラニンのみを含む水滴を生成し、室温および大気圧下でバックエンド質量分析計に拡散させました。研究者たちは、拡散する水滴の中にジペプチド（GlyGly または AlaAla）が形成されることを発見しました。論文の著者らは、水滴の空気と水の界面が必要な「乾燥」条件を提供し、液相中のアミノ酸の脱水反応に対する熱力学的障壁を克服し、それによって穏やかで触媒のない条件下でアミノ酸の凝縮反応を促進すると考えています。

この発見は、初期の海洋環境において、水滴が生命の誕生に重要な役割を果たした可能性があることを意味します。水滴は、その特殊な空気と水の界面を通じて、アミノ酸の脱水反応に好ましい条件を作り出し、それによって生命の誕生に必要なタンパク質のさらなる合成を促進しました。さらに、RNA 合成の基本的な構成要素であるヌクレオチドも、吸熱反応によって水溶液中で生成されます。これらはマグネシウムイオン触媒の助けを借りて水滴中の穏やかな条件下で合成されることが判明している[6]。これらの発見により、生命の起源における水の役割が再理解され、将来の生命科学研究に新たなインスピレーションがもたらされました。

3.3 窒素と炭素の固定

液滴化学の最近の研究結果では、窒素固定と炭素隔離の分野でも魔法のような効果が実証されています。窒素固定は分子を変換するプロセスである

総排出量の1％。大規模に適用できる環境に優しく効率的な窒素固定法は、長い間、人類社会全体の切実な期待でした。この点に関して、化学界における最近の成果により、「水滴」バージョンの解決策が提供されると期待されています。

2023年4月、研究者らは常温・常圧で窒素と水をアンモニアに変換する方法を発見した[7]。この実験は、

質量分析計の信号は徐々に消え、水滴が反応において尿素分子にH源としてH原子を供給しただけでなく、その固有の特殊な性質も反応を促進する重要な要因であったことを示しています。

04加速メカニズム：結果はわかっても理由はわからない

驚くべき実験現象の背後では、研究者らもさまざまな角度から水滴が化学反応を加速させる物理化学的メカニズムを理解しようとし、さまざまなモデルや仮説を提唱してきました。しかし、水滴のマイクロナノ空間スケールと超高速反応の時間スケールは、実験方法と計算方法に新たな課題をもたらします。化学反応を加速する微視的メカニズムの研究はある程度進歩していますが、まだ成熟には程遠く、現在も論争が続いています。

4.1 空気と水の界面と強電界

水滴が化学反応を加速する理由を真に理解するには、水化学とミクロスケールの界面科学を含む現実的な物理化学システムを把握し、構築する必要があります。水滴と液体の水を比較することで、手がかりを見つけることができます。

まず、水滴とバルクの水の最も直感的な違いは、液体の直径が減少することによる面積と体積の比の増加、つまり水の単位体積あたりの空気と水の界面面積の増加です。実験で水滴の直径を変えて反応速度の変化を観察することで、水滴内の空気と水の界面が反応に与える影響を調べることができます。

水滴のもう一つの重要な特徴は、その表面に形成される二重の電気層と、空気と水の界面の極めて薄い 1 ～ 2 オングストローム (1 オングストローム = 10^(-10) メートル) 内で生成される強い電界です。静電場の基礎知識から、電荷は電界内の電界力の影響を受け、その力の大きさは電界の強さに比例することが分かっています。環境内の電界強度が十分に大きい場合、分子内の化学結合が活性化または解離し、荷電イオンも電界の作用によって再配置され、関連する化学反応が促進されます。つまり、水滴の表面の電界が十分に強い場合にのみ、水滴は電界の作用によって反応を加速することができます。したがって、水滴が化学反応を加速するメカニズムを研究するには、水滴表面の電界強度の実験的測定と理論計算が重要です。

水滴の空気と水の界面の特殊性のため、実験で水滴の表面の電界強度を直接測定するには、空間分解能、測定感度、測定によってシステムにもたらされる外乱など、多くの課題があります。 2020年になってようやく、スタンフォード大学のザレ氏とコロンビア大学のミン・ウェイ氏のチームが協力し、誘導ラマン蛍光（SREF）を用いて振動シュタルク効果を測定し、水滴表面の電界強度が約10^9 V/mであることを発見しました[8] 。 2022年、カリフォルニア大学バークレー校のテレサ・ヘッド・ゴードン教授は、反応力場モデルReaxFF/C-GeMを適用し、分子動力学法により直径80～160オングストロームの水滴の電界分布と変化をシミュレートしました[9] 。計算によれば、水滴の表面の電界は平均値 1.6 × 10^9 V/m のローレンツ分布を示すことが示されています。上記の実験結果と理論結果は、水滴の表面には最大 10^9 V/m の電界があり、化学結合を活性化または破壊するのに十分であることを示しています。同時に、Ruiz-López らは、フランス国立科学研究センターの研究者らは、液滴表面上の溶媒の動的再構築によって引き起こされる静電ポテンシャル変動効果を無視してはならないと考えている[10]。

最近、中国の南開大学の張新星のチームは、水と空気の界面で発生する強い電場を利用して、メンシュトキン反応の触媒的加速を実験的に達成した[11] 。さらに、彼らは水滴界面の電界によって発生する超高速電子移動を介して脱ハロゲン化反応を達成した[12]。

帯電した液滴は天然のマイクロバッテリーとしても機能し、水に関わる化学反応を引き起こします。最近、厦門大学のファン・フェンル

そして最終的にエタノールを生成します。そのため、多くの学者は、水滴の界面に存在する強い電界が化学反応を促進する重要な要因の 1 つであると考えています。

4.2 水滴の表面電荷の起源

実験的および理論的研究により、水滴の表面上の電界強度は一定であることが示されていますが、表面電界の確立は、最終的には水滴の表面上の正電荷と負電荷の分布によって形成される二重の電気層によるものです。これらの正電荷と負電荷の起源と存在については依然として論争があり、主に水分子のイオン化と水素結合電荷移動の 2 つの観点に分かれています。

最近の 2 次摂動理論に基づく QM/MM シミュレーションでは、水滴の表面上の水分子間で連続的な不均一な電荷移動が起こることが判明しました。単一の界面水分子の電荷移動は最大 ±0.2 e に達する可能性があり、これは電荷移動確率の以前の推定値よりもはるかに高いため、部分的に帯電した水ラジカルが大量に生成されます。大気中の重要な分子であるCI（クリギー中間体）分子と水滴との反応を計算したところ、界面電荷移動によりCI分子と水分子の反応性が高まり、反応の活性化エネルギーが大幅に低下し、急速な反応発生が促進されることが示されています[14]。

4.3 その他のメカニズム

水滴の空気と水の界面に存在する強力な電界に加えて、化学反応を加速する他のメカニズムも考えられます。

1) 溶解エネルギーが低い。理論的には、反応物が水滴中に発生する場合、空気と水の界面で反応物が部分的に溶解するだけでよく、これにより反応物が完全に溶解するためのエネルギー障壁が低くなります。

2) 空気と水の界面における反応分子の整然とした配列。実験的研究と理論的研究の両方において、水滴表面の電界により、一部の反応イオンまたは中間体が特定の方向に沿って整然とした配列を形成することが指摘されています。反応分子の整然とした配置により、反応の初期状態のエントロピーが減少し、それに応じてギブスの自由エネルギーが増加し、それによって全体の反応の自由エネルギーの変化が減少します。

3) 水滴の急速な蒸発。水滴が空気中で急速に蒸発すると、水滴システム内の反応物質の濃度が大幅に増加し、化学平衡がプラスにシフトします。

つまり、水滴が化学反応を加速させるという現在開発されているメカニズムの説明は、主に空気と水の界面の役割を中心に展開されています。もちろん、反応物が水滴中に存在する形態や、反応中の水滴と反応物および生成物との相互作用などの要因も、反応速度に影響を与える重要な要素です。

05まとめ：課題と機会は共存する

液滴化学は登場してからまだ 10 年しか経っていませんが、急速に化学界の注目を集めるようになりました。その研究範囲は、当初の分析と合成から、生物学、医学、エネルギー、触媒などの複数の分野と学問分野へと急速に拡大しました。水滴は幅広い応用の可能性を秘めていますが、その微視的な作用メカニズムについては、まだ詳細な研究と議論が必要です。さらに、研究では、水滴が穏やかな条件下でさまざまな化学反応を加速できることがわかっていますが、これらの反応のほとんどは酸/塩基触媒によるものであり、または反応物にはアミノ基やケトステロイドなどの極性官能基が含まれています。非極性分子の反応では、水滴は顕著な加速効果を示さず、例えば、非極性分子 3,5-ヘキサジエニルアクリレートエステルのディールス・アルダー反応では、ほとんどの反応物が残留しました。応用の観点から見ると、少量の水滴を大規模に生成することが難しいことも、実用化への障害の一つとなっている。

将来的には、荷電水滴をいかに効率的に調製し、反応収率を向上させるかが、液滴合成化学が化合物の大規模かつクリーンで効率的な工業生産を真に達成できるかどうかを決定する重要な要素となる可能性があります。世界中の科学者にとって、液滴化学の開発は大きな課題であると同時に、貴重な機会でもあります。私たちは皆、将来、水滴化学の研究と応用におけるさらなる進歩を期待しています。

参考文献

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[16] ギャロ・ジュニア、アデア、他「微小水滴中の過酸化水素の生成について」化学科学13.9（2022）：2574-2583。

この記事は科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けています

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司

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