早在19世纪，诺贝尔化学奖得主奥斯特瓦尔德就提出了机械化学（Mechanochemical）的概念。所谓机械化学，顾名思义，与机械力学和化学密切相关，可以实现机械力学和化学在分子尺度上的耦合，主要研究化学试剂在机械力的作用和诱发下发生的化学反应、物理化学性质演变和内部微观结构变化。然而，由于机械化学反应过程中会发生多种副反应，而表征机械化学反应又极为困难，严重限制了机械化学反应机理和过程的深入研究，导致机械化学反应一直以来鲜受关注。过去十几年间，机械化学引起了广泛的关注，当前正处于令人兴奋的复兴及重新开发的阶段。与传统的合成方法相比，依靠机械力的机械化学基本不需要溶剂，能耗低、反应速度快，同时可以合成一些光、热等传统合成方法无法合成的材料，满足现代化学（化工、医药等）工业对可持续合成的需求，是一种很符合“绿色化学”原则的合成方法。而且，机械化学研究还可以提供对化学键断裂机理的深刻见解。机械化学已广泛应用于许多基础研究领域，例如纳米粒子制备、有机物和聚合物合成、聚合物加工、塑料或橡胶的回收、电化学储能、水处理、药物共晶体合成、金属有机骨架、有机半导体、石墨烯剥离，碳纳米管的切割、动态共价化学和自修复材料。12月20日，日本北海道大学的Koji Kubota和Hajime Ito在Science发表论文，报道了一种基于压电材料的机械化学氧化还原反应，通过球磨法驱动压电材料钛酸钡触发单电子转移，实现无溶剂机械氧化催化芳基重氮盐的芳基化和硼化反应。四川大学夏和生教授与西北工业大学王振华副教授在Science同期撰写了perspective评述论文，总结了近年来机械化学领域的最新进展。
机械力一般通过研磨、挤压、剪切、摩擦等手段施加，从而诱发反应物化学物理性质变化，使物质与周围环境中的固体、液体、气体发生化学转化。随着机械行业的发展，各种高能研磨设备的不断出现使机械化学在多个化学领域得到应用。机械化学的途径包括机械力诱导的降解、活化、催化和引发等。目前，通常使用高能球磨、盘磨、超声或水力空化器等机械方式来产生裂解有机分子或聚合物的共价键所需的苛刻条件。虽然这些方法可以为机械化学反应产生高剪切力，但无法满足大规模合成的要求。在过去的十年中，机械化学不断探索更为温和的方法，发展出了双螺杆挤出、搅拌、压缩和拉伸等较为温和的技术，但它们的实际应用也面临着其他问题，例如：依赖于含弱键的机械应力聚合物或金属有机配合物等新材料。压电材料可以通过对应力的响应产生电荷，而且可以高效地将机械能转化为化学能，为温和的机械化学提供了一种新的方法。压电材料常与低功率超声相结合，触发活性物质的生成，例如，压电材料可以在超声下作为还原剂催化单体聚合，用于超声机械化学控制原子转移自由基聚合。
可见光氧化还原催化反应是当代有机合成技术的一个重要发展方向。在这些转化中，光激发催化剂可以作为一种有效的单电子氧化剂，将电子转移到受体，然后在基态催化剂的伴随再生下，供体的单电子氧化提供产物。光氧化还原催化的成功取决于偶联剂对氧化还原活化的敏感性和随后的成键反应的高效性和选择性。自奥斯特瓦尔德(Ostwald)在1887年引入机械化学一词以来，机械化学合成在材料科学、高分子化学、无机合成等领域得到了广泛的应用，但在有机合成领域的应用较晚。近年来，机械化学有机转化也取得了较大的进展。机械化学合成的优点包括避免潜在有害的有机溶剂和外部加热，缩短反应时间，和更简便的操作工艺。此外，机械化学反应特别适用于难溶于普通有机溶剂的底物。受到基于光辐照的光氧化还原系统和机械化学中球磨的启发，日本北海道大学的Koji Kubota、Hajime Ito等人假设小有机分子的氧化还原活化可以通过利用机械能的方式实现。通过球磨的压电材料的搅拌可以产生暂时高度极化的粒子，这些粒子可能作为强还原剂，将电子转移到小的有机分子上，然后对供体进行氧化猝灭，从而以类似于光氧化还原催化的方式诱导选择性成键。
研究人员在混合物中加入压电催化剂可以通过明显的电子转移循环促进键的形成。压电材料钛酸钡被用于球磨来触发单电子转移氧化还原反应，而且成功地对各种芳基重氮盐进行了机械氧化还原活化，实现了芳基化和硼化反应。对芳基重氮盐，呋喃和钛酸钡的混合物施加机械力触发氧化还原反应。在球磨过程中，钛酸钡颗粒变形并转变为电荷分离状态，同时充当氧化剂和还原剂。电荷分离的钛酸钡颗粒可有效地淬灭自由基加成中间体。通过单电子转移反应将芳基重氮盐还原为自由基，进一步进行自由基加成合成。选择商业上易获得的、廉价且易于处理的BaTiO3纳米颗粒作为压电材料。在球磨机中机械搅拌，BaTiO3的在机械冲击下产生临时的电化学电位，适合于激活有机合成中氧化还原活性的小有机分子。
图1 在有机合成中激活有机小分子的机械反应体系的机理示意图
研究机械氧化1a和呋喃(2a)的C-H芳基化反应发现，压电材料是芳基化反应的关键。而且，在较高的球磨频率(30HZ)下进行反应可以显著提高产率(81%)，说明所需的压电电势是由BaTiO3球磨提供的机械力产生的。而且研究发现，只有压电性的钛酸钡能产生良好的反应产率，而非压电颗粒产率低得多，甚至没有反应。使用液体辅助研磨(LAG)来提高反应性，使用乙腈(MeCN)作为滞后添加剂可以提高5a的收率，而其他常用溶剂，如N、N-二甲基甲酰胺(DMF)、DMSO、甲苯或己烷的收率几乎没有提高。当使用MeCN作为滞后添加剂时，延长反应时间可以提高3a的收率(89%)。与类似的光氧化还原反应相比，现有的机械氧化硼化反应具有更快的反应动力学和更好的产品收率。
使用5 ml的不锈钢研磨罐和7.5 mm直径的不锈钢球，探索了与各种芳基重氮盐进行机械氧化芳基化反应的范围。在优化条件下，可以将缺电子的芳基重氮盐(1a~1h)较好地转化为所需产物(3a~3h)。然而，在富含电子的甲氧基取代重氮盐(1l)的情况下，产物(3l)的收率相对较低，这可能是由于1l相对较高的还原电位。利用其他异芳烃，即噻吩和吡咯，成功地反应生成了所需的产物(3m和3n)。硫代重氮盐的芳基化反应生成了相应的杂环(3o和3p)，证明了机械氧化硼化反应条件适用于多种芳基重氮盐。
从粗反应混合物中分离并洗涤后，在相同的反应条件下，至少三次重复使用BaTiO3进行呋喃(2a)的机械氧化芳基化反应，3k的产率才会大幅度下降。使用机械氧化法对多环芳烃C-H芳基化的可行性进行研究，发现1f与芘(6a)在BaTiO3和少量MeCN作为滞后添加剂的存在下进行反应，得到了理想的C-H芳基化产物(7aa)，其收率高，具有较高的区域选择性(7aa:7ab = 92:8)，这些结果表明机械氧化芳基化是一种操作简单、性质温和的方法，可以从与光氧化条件不相容的难溶底物中合成功能化的多环芳烃。
图4 探索克级合成、催化剂回收和多芳烃的芳基化
机械氧化还原与BaTiO3的活化是通过自由基途径进行的。球磨提供的机械刺激能有效地传递到BaTiO3颗粒上，从而在BaTiO3颗粒表面产生局域电化学电位，可用于芳基重氮盐的活化。为了研究球磨过程中的摩擦是否会产生热效应，在2a与1a的机械氧化芳基化过程中，使用热像仪测量了磨缸内的温度，发现在球磨机中芳基化后的温度约为30℃，这就降低了球磨机提供的热量使芳基重氮盐热活化生成芳基自由基的可能性。此外，传统的锤子敲击机械化学法，捶打超过200次，产率43％，机械氧化还原法依然有效，证明了机械氧化转化的鲁棒性。
总的来说，球磨法驱动机械氧化反应策略，具有许多优势：1）反应物和催化剂都可以是固体形式，避免使用溶剂；4）采用不同的压电材料可以调节氧化还原电势，以满足更多的氧化还原反应要求。现代机械化学正迅速扩展到化学和材料科学的众多领域，将重心从合金化和无机材料转向催化、自组装以及分子结构合成等。尽管机械化学为众多化学转化提供了一个更清洁有效的方式，但该领域现在仍然处于起步阶段。现在，机械化学所面临的主要挑战在于机理层面，，目前缺乏一种普适性的机械化学机理，因此需要开发新的专业设备、精确的理论模型和广泛的系统研究，并与机械化学反应环境的通用、定量模型相整合。相信随着反应机理研究的进步和反应设备及技术的开发，机械化学未来会涌现更多让人吃惊的新突破。1.Koji Kubota et al. JRedoxreactions of small organic molecules using ball milling and piezoelectricmaterials. Science, 2019 366, 1500-1504.DOI:10.1126/science.aay8224https://science.sciencemag.org/content/366/6472/15002.Hesheng Xia, Zhenhua Wang. Piezoelectricity drives organic synthesis. Science,2019.DOI:10.1126/science.aaz9758https://science.sciencemag.org/content/366/6472/1451
