▲ 第一作者：陈杰
通讯作者：莫一鸣
通讯单位：浙江大学
论文DOI: 10.1021/acscentsci.3c00856
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背景介绍
有机电化学合成技术为精细化学品和活性药物分子的合成提供了一种绿色环保、符合可持续发展理念的手段。目前已经开发出来一系列电化学反应装置用于提高筛选通量并降低操作难度，然而这些装置并没有完全解决电化学反应操作繁琐、反应器结构复杂、难以适用于自动化高通量筛选等挑战。近日浙江大学莫一鸣老师团队针对这些挑战开发了一种基于无线电能传输的电化学筛选技术（Wi-eChem），大幅度提高了电化学反应的可操作性。
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本文亮点
1. 本工作报道了一种基于无线电能传输的电化学装置（Wi-eChem），核心是一个微型无线电化学磁力搅拌子（Wi-eChemStir），通过在Wi-eChemStir上安装电极并使用无线电能传输替代导线供电的方式，允许化学家以类似于传统有机反应的方式执行电化学反应。
2. 通过电化学羧基醚化、电化学还原烯烃-酮偶联和电化学镍催化氧化等一系列电化学合成反应展示了Wi-eChem系统进行有机电化学合成的通用性。
3. 由于电化学合成操作的显著简化，本工作还构建了以Wi-eChem系统为关键部件的全自动电化学合成平台，以实现电化学合成参数的高通量筛选。
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图文与视频解析
图1 Wi-eChem系统的零件构成和使用流程图解
视频1. Wi-eChem系统操作过程展示
要点：
1. 该系统使用3D打印构建所有机械部件，并使用PCB构建微型无线电能传输电路，实现低成本的设计和技术可转移性。
2. Wi-eChem系统单次反应筛选体积最小为4 mL，同时整体的空间尺寸仅为134 mm× 94 mm× 75 mm（长×宽×高），小型化的体积允许其在通风橱和自动化平台中实现多通道结构；
3. 在操作Wi-eChem系统时，仅需将装有电极的Wi-eChemStir放入装有反应试剂的玻璃小瓶中，并设置电解电压以启动电化学反应（图1d和视频1）。该过程类似于进行传统的热化学反应，从而大幅度简化执行电化学反应的过程。
图2. Wi-eChem系统应用于电化学羧基醚化、电化学还原烯烃-酮偶联中。
要点：
1. 在基于NaOH的Hofer-Moest电化学羧基醚化的应用中，使用相同的Wi-eChemStir进行的十次重复实验（3.0 V和8 h的电解反应）得到了稳定的产率（90-100%），Wi-eChemStir的使用时间超过80 h而没有观察到反应产率的明显下降，证明了Wi-eChem系统的实验重复性良好，使用寿命长。在基于硅胶固定碱的Hofer-Moest电化学羧基醚化的应用中，Wi-eChem系统在更加严苛的环境中（5.0 V 和10 h的电解反应）仍然表现出耐化学腐蚀，装置稳定性良好的特点。
2. 在电化学还原烯烃-酮偶联的应用中，通过电极材料、电解质种类和电解电压这三种条件的筛选，证明了Wi-eChem系统具备有机电化学合成参数筛选的能力。
图3. Wi-eChem系统为关键部件的全自动电化学合成平台及其应用。
视频2. Wi-eChem全自动电化学合成平台的运行视频
要点：
1. 在硬件层面，该自动化平台由五个核心功能模块组成：（1）SCARA机械臂（2）四通道Wi-eChem系统（3）样品过滤模块（4）洗针站（5）溶液储存区；
2. 在软件层面，开发了一种“scheduler-worker”的控制方案，使用LabVIEW作为图形前端，Python作为执行后端，最大限度提高自动化实验效率；
3. 通过对电化学镍催化氧化的底物种类、水的当量、配体种类、电解电压、电解时间的自动化筛选，证明了该自动化平台的实用性，解决了由于电极插入、导线连接、反应器密封和高成本恒电位仪等因素导致电化学无法像热化学和光化学一样容易实现自动化以加速分子筛选和开发的难题。
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结语
本工作所展示的无线电化学合成技术变革了电化学反应的方式，利用开源低成本的3D打印结构零件和PCB电子元件，实现装置的微型化，可用于毫升级电化学反应，大幅度提高电化学反应筛选的效率。该技术概念验证为将其它先进的微电子器件集成到微型无线磁力搅拌子中提供了可行路径，以实现过程分析技术（PAT）对反应进行监测。
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作者介绍
莫一鸣博士，浙江大学化学工程与生物工程学院“百人计划”研究员，博士生导师。2014年本科毕业于清华大学化工系，2019年博士毕业于麻省理工学院（MIT）化工系。至今在Science，Angew. Chem.，ACS Central Science等国际一流顶尖杂志已发表多篇高水平论文，研究方向包括：电化学有机合成、微流控、高通量筛选与人工智能等。曾获“35岁以下科技创新35人”、国家级青年人才计划、浙江省“鲲鹏行动”计划等荣誉，主持国家重点研发计划（青年首席科学家）等项目。
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