左邊的凱文•默勒博士是圣路易斯（St. Louis）華盛頓大學(xué)（Washington University）藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院（Arts & Sciences）化學(xué)教授，他手持一塊電化學(xué)電池，艾莉森•瑞德（Alison Redden）是化學(xué)專業(yè)的研究生，她手持一塊光電電池。把這兩者連接起來，就提供了一種方式，可以進(jìn)行氧化反應(yīng)，這種氧化反應(yīng)在有機(jī)分子合成中具有關(guān)鍵作用，不會產(chǎn)生有毒副產(chǎn)品，也不依賴污染環(huán)境的能源。來源：華盛頓大學(xué)

“但是，我們希望改變方式，讓人們做這種反應(yīng)，這需要做一個連接，就是連接兩種現(xiàn)有技術(shù)，”默勒說。

為了強(qiáng)調(diào)這個簡單的想法，默勒和他的合著者使用了一塊6美元的太陽能電池，這種電池是網(wǎng)上賣的，用于驅(qū)動玩具汽車，他們用這塊電池進(jìn)行的反應(yīng)，已經(jīng)介紹過，文章發(fā)表在《綠色化學(xué)》（Green Chemistry）上。

如果他們的建議被化學(xué)工業(yè)廣泛采納，就會消除有毒副產(chǎn)品，這些副產(chǎn)品目前產(chǎn)生于一系列化學(xué)反應(yīng)，都是在化學(xué)合成時進(jìn)行的——同時也會消除它們所帶來的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)危害。

氧化反應(yīng)的困難

默勒是圣路易斯（St. Louis）華盛頓大學(xué)（Washington University）藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院（Arts & Sciences）的化學(xué)教授，是一位有機(jī)化學(xué)家，他制備和操縱的分子主要由碳、氫、氧和氮組成。
有一個重要方法可以合成有機(jī)分子，有機(jī)分子是一個龐大的范疇, 包括一切從麻醉劑到紗線的東西，這個方法就是氧化反應(yīng)。

“它們就是這樣的一種方法，使我們可以提高分子的功能性，把更多“把手”增加到有機(jī)分子上，通過這種“把手”，可以操縱有機(jī)分子，”默勒說。

“分子互相作用，需要通過原子的結(jié)合體，就是所謂的功能團(tuán)（functional groups），”默勒解釋說。“酮類（Ketones）、醇類（alcohols）或者胺類（amines）都是功能團(tuán)。一個分子含有的功能團(tuán)越多，控制這個分子與其他分子相互作用的方式就越多。

“氧化反應(yīng)是把功能團(tuán)連接到分子上，”默勒繼續(xù)說。“如果我有一種碳?xì)浠衔?，所含有的沒有別的，只有碳和氫原子鍵合在一起，那么，要把它轉(zhuǎn)化成醇類、酮類或者胺類，就必須進(jìn)行氧化。”

在氧化反應(yīng)中，一個電子離開一個分子。但是這個電子必然會走到某個地方，因此，每個氧化反應(yīng)都伴隨著一個還原反應(yīng)，在還原反應(yīng)（reduction reaction）中，電子被添加到第二個分子上。

默勒說，問題是“第二個分子是廢品，不是你想要的產(chǎn)物。”

默勒說，一個例子就是工業(yè)乙醇（industrial alcohol）氧化，就是使用氧化鉻（oxidant chromium），把乙醇轉(zhuǎn)化成酮。在此過程中的鉻就是原來的六價鉻（chromium VI），加上一個電子后變成四價鉻。四價鉻就是氧化反應(yīng)的工業(yè)垃圾。

在這個例子中，有部分溶解。高碘酸鈉（Sodium periodate）被用于回收高毒性的四價鉻。有一種鹽，就是高碘酸鈉分解在溶液中，高碘酸根離子（periodate ion）（碘原子與氧原子相接）與鉻作用，把它還原成原來的氧化態(tài)。

關(guān)鍵是還原鉻會破壞高碘酸鹽。此外，這個過程效率低，產(chǎn)生一份想要的產(chǎn)品，需要消耗三份高碘酸鹽。

尋找更清潔的副產(chǎn)品

“所有化學(xué)氧化反應(yīng)都會有副產(chǎn)品”，默勒說，因此，問題不在于是否會有副產(chǎn)品，而在于會是什么副產(chǎn)品。人們已經(jīng)開始思考，他們?nèi)绾芜M(jìn)行氧化反應(yīng)，使分解后的副產(chǎn)品是某種良性的東西。

“如果你使用氧氣進(jìn)行氧化反應(yīng)，那么副產(chǎn)品是水，這就是一個溫和的過程，”默勒說。

但是，有一個關(guān)鍵點(diǎn)。像所有其它分子一樣，氧具有特定的氧化電位（oxidation potential），或者說會自發(fā)接受電子。“因此，無論什么物質(zhì)，想在溶液中氧化，就必須有一種氧化電勢可以匹配氧。如果不這樣，那就必須改變整個反應(yīng)環(huán)境，確?？梢允褂醚鯕?。而且，改變整個反應(yīng)后，也許氧化反應(yīng)進(jìn)行得不會像之前那么好。因此，我就局限于我所能做到的，”默勒說。

“電化學(xué)能夠氧化分子，具有氧化電位，因?yàn)?，電極電壓能夠被調(diào)整或調(diào)節(jié)，或者，進(jìn)行氧化反應(yīng)，可以采取一種方式，使它自我調(diào)節(jié)。因此，我可以極其靈活地進(jìn)行”，圣路易斯華盛頓大學(xué)化學(xué)教授默勒說。而且，電化學(xué)氧化反應(yīng)的副產(chǎn)品是氫氣，因此，這也是一個清潔的過程。微量電化學(xué)（Bit electrochemistry）只會一樣清潔，就像源電力（source of the electricity）一樣。答案是使用盡可能清潔的能源，就是光電電池所捕捉的太陽能，進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。來源：華盛頓大學(xué)

有另一種方式進(jìn)行氧化反應(yīng)。“電化學(xué)能夠氧化的分子，都具有一定的氧化電位，因?yàn)殡姌O電壓能夠被調(diào)節(jié)或調(diào)整，或者說，我進(jìn)行反應(yīng)可以采取一種方式，進(jìn)行自身調(diào)整。因此，我可以更靈活地進(jìn)行”，默勒說。

此外，電化學(xué)氧化的副產(chǎn)品是氫氣，因此，這也是一個清潔的過程。

但是，這又有一個問題。電化學(xué)只能像源電力一樣環(huán)保。如果氧化反應(yīng)過程是環(huán)保的，但是電來自燃煤電廠，那問題就沒有避免，只是轉(zhuǎn)移了。

答案是使用盡可能清潔的能源，就是用光電電池所捕捉的太陽能，進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。

“那正是《綠色化學(xué)》的那篇文章所闡述的，”默勒說。“那是一篇論證理論的文章，認(rèn)為很容易使這有效，它的效果就像反應(yīng)不使用光電電池一樣，因此，這種化學(xué)反應(yīng)不需要改變。”

下一步

《綠色化學(xué)》上的文章演示的方法，就是在電極直接氧化分子。不使用化學(xué)試劑（chemical reagent）。自從寫這篇文章以來，默勒的團(tuán)隊一直在研究，如何把太陽能驅(qū)動的電化學(xué)用于回收化學(xué)氧化劑，而且要有一種清潔的方式。

為什么制造廠會選擇使用化學(xué)氧化劑？電極電壓可以匹配分子氧化電壓，這種分子也必須被氧化。

“電極的選擇完全依賴氧化電勢”，默勒解釋說。“化學(xué)試劑就不是這樣。化學(xué)試劑的粘合性上，分子中的一部分可能會不同于與另一部分。而且存在一種所謂的位阻現(xiàn)象（steric hindrance），就是指分子中的一部分可能會確實(shí)妨礙接近氧化中心，迫使基底分子轉(zhuǎn)移到化學(xué)試劑的其它位置。”

“化學(xué)團(tuán)體已經(jīng)學(xué)會如何使用化學(xué)試劑，進(jìn)行選擇性化學(xué)反應(yīng)”，默勒說。“化學(xué)試劑一般是昂貴的，并且有毒性，因此，就被回收了”，他說，“我們正致力于清理化學(xué)試劑回收。”

正如上面所描述的鉻氧化反應(yīng)，四價鉻能夠通過電化學(xué)回收，不需要與高碘酸鹽反應(yīng)。不同于高碘酸鹽廢棄物(與上面所述的一樣，消耗高碘酸鹽)，電化學(xué)反應(yīng)只產(chǎn)生氫氣這種副產(chǎn)品。

“另一個例子是一種工業(yè)生產(chǎn)方法，進(jìn)行乙醇氧化，把醇基（alcohol group）轉(zhuǎn)化成羰基（carbonyl group），”默勒說。“此過程中使用四甲基哌啶氧化物 (TEMOPO：2,2,6,6-Tetramethylpiperidine-1-oxyl)，這是一種復(fù)雜的化學(xué)試劑，發(fā)現(xiàn)于1960年。四甲基哌啶氧化物很貴，因此，回收需要添加漂白劑。這會再生成四甲基哌啶氧化物，但也會產(chǎn)生氯化鈉（sodium chloride）副產(chǎn)品。

在小數(shù)量上，氯化鈉是食鹽，但是，在工業(yè)產(chǎn)量上，氯化鈉是廢棄產(chǎn)品，處理成本很高。此外，四甲基哌啶氧化物回收可以采用電化學(xué)，這種工藝產(chǎn)生的氫氣是唯一的副產(chǎn)品。

“我們不能使所有化學(xué)合成更環(huán)保，因?yàn)槭峭ㄟ^太陽能驅(qū)動電化學(xué)”，默勒說，“但是，我們能夠整理人們所使用的氧化反應(yīng)。并且這將鼓舞其他人提出簡單創(chuàng)新的解決方案，用于他們感興趣的其它類型反應(yīng)。”