采用電驅(qū)動(dòng)運(yùn)輸有著悠久的歷史，在20世紀(jì)初的時(shí)候，曾獲得巨大的市場(chǎng)份額，例如在1900年，三分之一的車輛都是電驅(qū)動(dòng)的。不久之后這種電驅(qū)動(dòng)幾乎消失，然后在近幾年重現(xiàn)。目前大多數(shù)分析師都認(rèn)為，未來(lái)的汽車是電動(dòng)的，這一點(diǎn)對(duì)任何開(kāi)過(guò)電動(dòng)汽車的人來(lái)說(shuō)都是顯而易見(jiàn)的。盡管基礎(chǔ)科學(xué)（鋰離子電池）的誕生確實(shí)促成了電動(dòng)汽車的復(fù)興，但觀念的改變或許是銷量大幅上升的最主要原因。在20世紀(jì)90年代，電動(dòng)汽車被視為一種利基產(chǎn)品，迎合了那些對(duì)拯救地球最感興趣的人，但由于范圍有限和設(shè)計(jì)笨拙，電動(dòng)汽車并不是化石燃料汽車的可行替代品。特斯拉一手改變了這種看法，他們推出的電動(dòng)汽車在性能和實(shí)用性方面提供了許多切實(shí)的好處，因此，特斯拉正致力于制造最有用和最實(shí)用的汽車(圖1)，從而完成加速實(shí)現(xiàn)可持續(xù)交通運(yùn)輸?shù)氖姑?span style="font-family: 微軟雅黑, sans-serif; text-indent: 0em;">
圖1. 電化學(xué)合成對(duì)運(yùn)輸觀念的鏡像對(duì)比。
與之類似，電化學(xué)有機(jī)合成在早期有著爆炸般的關(guān)注，歷史上第一個(gè)有機(jī)轉(zhuǎn)化反應(yīng)就是通過(guò)電化學(xué)合成的，這一反應(yīng)由法拉第在1834年發(fā)現(xiàn)，稱為Kolbe反應(yīng)。然而，在上個(gè)世紀(jì)，盡管電化學(xué)合成有明顯的環(huán)境效益，但只有有限的一批實(shí)踐者采用了該技術(shù)。之所以研究的數(shù)量有限，其原因也與電動(dòng)汽車的發(fā)展一樣，來(lái)自于對(duì)反應(yīng)的不準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)和一些簡(jiǎn)單的工程缺陷，例如，使用電化學(xué)合成的許多反應(yīng)可以通過(guò)化學(xué)試劑輕松復(fù)制。即使這些試劑是不可持續(xù)的，甚至是有毒的，有機(jī)合成的從業(yè)者為了方便也經(jīng)常使用它們。一個(gè)錯(cuò)誤的觀點(diǎn)是由于電化學(xué)反應(yīng)是以非均勻的方式（通過(guò)溶液中的電極）開(kāi)始的，所以不容易控制或理解。總之，以上因素造成了大多數(shù)科研人員認(rèn)為雖然電化學(xué)合成是一種利基技術(shù)，但進(jìn)入該領(lǐng)域的壁壘太高，所以不值得費(fèi)勁。目前，這一領(lǐng)域正處于新生期，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界越來(lái)越多的合成化學(xué)家開(kāi)始接受其固有的好處，這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)是由于多種因素造成的，例如最方便地進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)明，對(duì)電催化的更好理解，以及標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備的直觀設(shè)計(jì)等。
有史以來(lái)一些規(guī)模最大的化學(xué)過(guò)程已經(jīng)成果采用電化學(xué)合成方法，例如目前鋁、氯和己二腈等商業(yè)制劑每年以百萬(wàn)噸的規(guī)模進(jìn)行合成(圖2)。在該領(lǐng)域，電成本非常重要，隨著電化學(xué)二氧化碳還原制液體燃料和水分解等課題引起了廣泛的興趣和研究，使得能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域在蓬勃發(fā)展，即便是效率的微小提高也會(huì)在這一領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的變化。因此，電極設(shè)計(jì)和反應(yīng)器的工程優(yōu)化得到了研究。與此同時(shí)，在另一個(gè)化學(xué)世界里，存在著一批對(duì)電成本或效率不感興趣的科學(xué)家群體，實(shí)踐化學(xué)家們通常將新反應(yīng)和新技術(shù)作為最高目標(biāo)。在追求新藥、農(nóng)用化學(xué)品、天然產(chǎn)物和特殊材料的過(guò)程中，越來(lái)越復(fù)雜的合成目標(biāo)和越來(lái)越短的時(shí)間線使得可持續(xù)性(至少在規(guī)模上)幾乎無(wú)關(guān)緊要。在這些實(shí)踐化學(xué)家看來(lái)，新反應(yīng)和簡(jiǎn)化對(duì)復(fù)雜分子的合成具有巨大價(jià)值，雖然許多人對(duì)“綠色”化學(xué)充滿詩(shī)意，但最終還是依賴于新鍵合成或舊鍵的選擇性斷裂來(lái)推動(dòng)這些領(lǐng)域的進(jìn)步。
在一個(gè)合適的新分子被確定具有潛在的商業(yè)化價(jià)值之后，“綠色”合成路線或可持續(xù)性通常可以在合成過(guò)程的尺度上進(jìn)行處理，因此，不熟悉這一領(lǐng)域的人可能會(huì)很驚訝，例如，醫(yī)藥化學(xué)家即便采用很貴的催化劑，也要研發(fā)出新的反應(yīng)；此外，放射化學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中更是忽視了“可持續(xù)性”，他們可能會(huì)使用數(shù)十種等效的金屬鹽來(lái)獲得有價(jià)值的同位素標(biāo)記材料。因此，這些科學(xué)家們是在一個(gè)機(jī)會(huì)主義的領(lǐng)域中尋找快速的可行性，的確，對(duì)于一個(gè)典型的藥物化學(xué)家來(lái)說(shuō)，唯一重要的“產(chǎn)率”是足以進(jìn)行分析就可以了。如果經(jīng)過(guò)分析證明該化合物是有效的，并最終能夠發(fā)展成為一種藥物，那么采開(kāi)始考慮效率問(wèn)題。從事液晶顯示器甚至殺蟲(chóng)劑等新材料研究的人也有類似的想法，因此，在主流環(huán)境中，電化學(xué)有機(jī)合成歷來(lái)是合成工具箱中的最后選擇，而不是標(biāo)準(zhǔn)選擇。
圖2. 電化學(xué)有機(jī)合成的兩極目標(biāo)。
在對(duì)未來(lái)進(jìn)行展望時(shí)，作者認(rèn)為，當(dāng)這兩個(gè)化學(xué)世界碰撞并開(kāi)始合作，將會(huì)迎來(lái)許多突破。例如，以能量轉(zhuǎn)換為目的而開(kāi)發(fā)出的一系列電極材料，能為合成化學(xué)提供些什么？鋰離子電池化學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)給現(xiàn)代社會(huì)的許多方面帶來(lái)了革命性的變化，如何將這些知識(shí)轉(zhuǎn)化為綜合知識(shí)？而且，能源科學(xué)也充滿著催化的創(chuàng)新，例如，氧化錳納米顆粒是一種高效的水氧化催化劑。最近的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)將其作為一種非均相電催化劑，可以用于水作為唯一氧源的烯烴環(huán)氧化反應(yīng)。在合成有機(jī)化學(xué)家越來(lái)越頻繁使用的均相電催化領(lǐng)域，有機(jī)硝基化合物從燃料電池到乙醇和酰胺的氧化也都得到了廣泛的應(yīng)用。此外，生物催化是高效、可持續(xù)能源生產(chǎn)的另一個(gè)重要研究領(lǐng)域，酶與電化學(xué)相結(jié)合的應(yīng)用為有機(jī)合成提供了一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會(huì)，例如利用大氣中的N2氣體作為氮源來(lái)生產(chǎn)手性胺。最后，研究在施加電位下的光化學(xué)過(guò)程也是能源科學(xué)中的一項(xiàng)實(shí)踐技術(shù)，這種光化學(xué)和電化學(xué)的結(jié)合正迅速成為有機(jī)合成電化學(xué)中一個(gè)新的分支，使通過(guò)純光化學(xué)或電化學(xué)手段無(wú)法實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)成為可能。
圖3. 作者的未來(lái)展望。
【全文總結(jié)】
由于進(jìn)入電化學(xué)有機(jī)合成的認(rèn)知和設(shè)備障礙正在迅速降低，因此在有機(jī)合成和能量科學(xué)領(lǐng)域中發(fā)現(xiàn)新方向的條件已經(jīng)成熟。對(duì)整個(gè)社會(huì)來(lái)說(shuō)，一個(gè)潛在的行動(dòng)項(xiàng)目將是電池電化學(xué)和能量轉(zhuǎn)換方面的專家，與那些僅僅在尋找有用的新反應(yīng)合成路線的有機(jī)化學(xué)家之間建立更多的合作。這種合作可能需要一種靈活的心態(tài)，并背離這些化學(xué)家各自的舒適區(qū)。但作者預(yù)計(jì)，這種成功的伙伴關(guān)系收獲的總和將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于簡(jiǎn)單的相加，例如，諸如氣體還原和簡(jiǎn)單醇氧化等話題盡管很重要，但不會(huì)激發(fā)那些尋求制造復(fù)雜藥物或天然產(chǎn)物的科學(xué)家的想象力。類似地，合成化學(xué)家也要需要虛心學(xué)習(xí)在電極表面發(fā)生的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)和反應(yīng)的細(xì)微差別。可以肯定的是，這種相互作用在通過(guò)促進(jìn)和激勵(lì)大量實(shí)踐合成化學(xué)家的同時(shí)，也會(huì)增加典型電化學(xué)領(lǐng)域（即《焦耳》的讀者群）的基本見(jiàn)解。但是，對(duì)于這些合成化學(xué)家來(lái)說(shuō)，僅考慮可持續(xù)性是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。
Yu Kawamata, and Phil S. Baran. Electrosynthesis: Sustainability Is Not Enough. Joule. 2020. DOI:10.1016/j.joule.2020.02.002.
