摘要：近期，康奈尔大学Paul L. McEuen & Song Lin研究小组携手在Nature期刊上发表了题为「Light-harvesting microelectronic devices for wireless electrosynthesis」的最新论
近期，康奈尔大学Paul L. McEuen & Song Lin研究小组携手在Nature期刊上发表了题为「Light-harvesting microelectronic devices for wireless electrosynthesis」的最新论文。该团队设计并开发了一种名为SPECS（小型光电子用于电化学合成）的微电子设备，这些设备通过标准的纳米加工技术制造，能够无线驱动电化学反应。研究人员成功地将传统的96孔或384孔微孔板转化为高效的电化学反应器，并验证了其在氧化、还原和配对电解等多个反应中的应用。
研究背景
电化学合成（electrosynthesis）作为化学合成的一种重要手段，早在19世纪初便被引入到化学研究中，近些年来随着有机合成的需求不断增加，电化学合成方法逐渐得到了广泛的关注。电化学合成不仅能够实现传统化学合成方法难以达到的转化反应，还具备绿色、环保等优势，因此广泛应用于反应发现、有机合成和药物开发等领域。然而，电化学合成的复杂反应设置和独特的参数空间，使得其在实际应用中面临诸多挑战，尤其是需要在大量实验参数中进行系统性调控，如试剂、催化剂、电解质、温度、电极材料及电流/电位等，这些因素增加了其普及的难度。尽管现有的一些电化学反应器已经实现了标准化和用户友好，但其大多依赖有线连接和较大反应体积，仍然难以满足高通量实验的需求。
研究内容
为了解决这一问题，康奈尔大学Paul L. McEuen & Song Lin研究小组携手设计并开发了一种名为SPECS（小型光电子用于电化学合成）的微电子设备，这些设备通过标准的纳米加工技术制造，能够无线驱动电化学反应。这些设备仅通过可见光供电，克服了传统电化学反应器对电源和连接线的依赖，实现了更加简便和高效的电合成方法。通过将SPECS应用于电化学反应中，研究人员成功地将传统的96孔或384孔微孔板转化为高效的电化学反应器，并验证了其在氧化、还原和配对电解等多个反应中的应用。
SPECS设备的优点不仅在于其无线和简便的设计，还能显著提高实验效率。通过该设备，研究人员能够在微升尺度上进行高通量电合成实验，有效加速了生物活性化合物的合成库的建设，同时也推动了两种电合成方法的发展。此外，SPECS还在电光催化和串联电化学-化学转化等多个复杂反应体系中展现了良好的适应性。通过SPECS的创新应用，研究人员不仅为电化学合成方法的优化提供了新思路，也为其在更广泛的合成领域的应用奠定了基础。
图文解读
（1）实验首次开发了基于可见光驱动的微电子设备（SPECS），实现了无线电合成。通过标准的纳米加工技术，SPECS能够将传统的96孔或384孔反应板转化为电化学反应器，且无需有线连接，简化了电化学反应的设置。
（2）实验通过SPECS技术验证了其在已知电合成转化中的应用，成功重现了多个经典的电化学反应。这些设备能够在微升尺度上实现电化学反应，为高通量实验提供了新的解决方案。
（3）实验进一步通过SPECS技术实现了串联电化学-化学转化、电光催化及库合成，展示了其在多步反应中的灵活性和多功能性。该方法为加速药物发现和合成化学研究提供了强有力的工具。
（4）实验开发了一种一步法aza-Shono偶联反应，通过SPECS技术的支持，简化了反应过程，并提高了反应的效率和可操作性。
图1 | 使用可见光驱动的微电子设备进行无线电合成。
图2 | 验证SPECS在已知电合成转化中的应用。
图3 | SPECS在串联电化学-化学转化、电光催化和库合成中的应用。
图4 | 一步法aza-Shono偶联反应的开发。
图5 | 基于SPECS的工艺开发。
结论展望
本文通过跨学科的结合，尤其是有机合成、电化学和纳米加工技术，可以有效突破传统电合成的局限，推动高通量电合成技术的发展。SPECS微型无线电子设备的成功开发，展示了电化学反应可以在无需有线连接的情况下，通过可见光驱动进行，并实现了对现有高通量实验平台的兼容性。这一技术不仅能够简化电合成反应的设置，还能在微尺度上进行大规模反应筛选和新化合物合成，为药物化学和其他领域提供了新的研究工具。
此外，实验中发现的S–N偶联反应条件的开发，表明通过优化电化学反应条件，可以实现以前未曾探索的化学反应，为有机合成化学的反应库拓展了新的方向。总体而言，这项研究的创新性在于降低了电合成的使用门槛，极大地拓展了电化学在有机合成中的应用范围，并为非专业人士进入这一领域提供了可能，推动了电合成技术向更广泛的化学和医药领域渗透。
文章链接：
--低维材料前沿
来源：Future远见