研究背景
高压化学反应是指在极高压力下进行的化学反应，这种环境能够促使分子发生特定的相变或化学转化，具有独特的合成化学和物质状态实现能力。因此，高压化学反应已成为当前研究的热点。然而，尽管许多工业化学反应在几千个大气压下进行，但将超过1吉帕（GPa）超高压应用于化学反应中仍面临许多挑战。这是因为，在如此高的压力下，传统的反应器设计难以实现高效且可控的反应环境。
为了突破这一限制，近年来，科学家们开始探索通过纳米尺度空间中的反应物限制，来实现反应物之间的高压作用，进而促进化学反应的发生。例如，在二维材料如石墨烯和氮化硼薄层之间，反应物能够在纳米尺度的受限空间内承受极高的压力，进而促进反应的发生。
成果简介
基于这一思路，韩国蔚山国立科学技术学院Hyeon Suk Shin 课题组的Young S. Park、 Seung Kyu 、Zonghoon Lee和剑桥大学Manish Chhowalla携手以题为“Pressure enabled organic reactions via confinement between layers of 2D materials”的论文发表在最新一期《Science Advances》上，科学家们通过将六苯基苯（HPB）限制在石墨烯薄层之间，成功实现了无催化剂的环脱氢反应，合成了具有特定结构的多环芳烃。同时，还通过相似的方式，实现了多巴胺的氧化聚合反应。这些研究结果展示了二维材料受限空间中化学反应的巨大潜力，为高压化学反应提供了新的研究路径和技术手段。
研究亮点
1. 实验首次通过将反应物限制在二维材料之间，成功实现了高压化学反应，获得了无催化剂的六苯基苯环脱氢反应及多巴胺氧化聚合反应，证实了高压能够促使通常在常规条件下无法发生的有机反应。
2. 实验通过将六苯基苯（HPB）限制在石墨烯层之间，在无催化剂的情况下成功实现了环脱氢反应，得到了六苯基苯的环化产物，这表明二维材料之间的高压环境可以有效促进分子反应并实现化学反应的高效进行。
3. 实验还通过限制多巴胺反应物于石墨烯层之间，成功诱导了其氧化聚合，得到片状晶体结构。这一结果展示了二维材料作为反应物高压环境的有效性，进一步支持了其在高压化学反应中的应用潜力。
4. 通过实验，研究还揭示了二维材料之间的受限空间能够提供高达7吉帕的压力，这对有机反应提供了显著的推动作用，实现了无溶剂的反应环境，且反应过程不需要外部催化剂或氧化剂。
图文解读
图1. 在石墨烯或hBN层之间进行的HPB环脱氢反应。
图2：基于密度泛函理论（DFT）计算的六苯基苯（HPB）在石墨烯层之间受限的第一次环脱氢反应的反应能量图和相应的优化结构。
图3：在二维受限空间中多巴胺聚合及其特性。
图4：石墨烯层之间晶体OD的物理特性。
结论展望
本文展示了通过石墨烯层之间的限制环境实现HPB的环脱氢反应，并成功合成了此前未曾实现的多晶OD相。尽管HPB在大尺度下无法进行环脱氢反应，但在二维材料（2DM）层间的高压限制下，该反应得以有效推进。
这表明，二维材料在提供高压环境的同时，能够促进某些传统反应无法进行的化学过程，拓展了分子合成的可能性。研究还揭示了这种受限反应条件下合成的材料展现出卓越的电子、机械和阻隔性能，具有潜在的应用价值。
此外，研究采用的2DM/HPB/2DM结构及其合成方法为未来功能性分子的合成提供了新的思路。通过将这种方法扩展到其他分子或材料，未来可能会开辟出新的材料设计和制备方向，尤其在纳米技术和材料科学领域具有广泛的应用前景。
文献信息
Seong In Yoon et al. ,Pressure enabled organic reactions via confinement between layers of 2D materials.Sci. Adv.10,eadp9804(2024).