丁夢(mèng)寧、黎書(shū)華、程旭課題組合作發(fā)展出“電化學(xué)反應(yīng)描述符”體系實(shí)現(xiàn)電有機(jī)合成產(chǎn)率預(yù)測(cè)
近日，南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院丁夢(mèng)寧課題組、黎書(shū)華課題組及程旭課題組合作完成了對(duì)于不同機(jī)制電有機(jī)合成反應(yīng)的電化學(xué)系統(tǒng)參數(shù)研究，并成功發(fā)展出“電化學(xué)反應(yīng)描述符（electro-descriptor）”體系用于不同底物和反應(yīng)條件下電有機(jī)合成產(chǎn)率的描述符熱點(diǎn)圖及機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)。該成果以“Electro-descriptors for the performance prediction of electro-organic synthesis”為題在Angew. Chem. Int. Ed. 上在線發(fā)表（DOI: 10.1002/anie.202014072）。論文的共同第一作者為我院2015級(jí)本科生陳宇軒（現(xiàn)斯坦福大學(xué)2019級(jí)博士生）和我院2015級(jí)本科生田栢麟（現(xiàn)我院2019級(jí)碩士生），18級(jí)博士生程正為第三作者，丁夢(mèng)寧教授和黎書(shū)華教授為該論文的通訊作者。
電化學(xué)有機(jī)合成作為一種綠色可持續(xù)的多功能合成平臺(tái)引起了學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。對(duì)電有機(jī)反應(yīng)的反應(yīng)熱力學(xué)，界面動(dòng)力學(xué)和化學(xué)耦合過(guò)程的定量評(píng)估，既凸顯了電化學(xué)合成的獨(dú)特性，又可以借助電分析手段及數(shù)據(jù)分析方法的創(chuàng)新，用以指導(dǎo)新型合成路線的設(shè)計(jì)和發(fā)展。在這一工作中，作者系統(tǒng)研究了三種具有典型電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理（EEC, Org.?Lett. 2019, 21, 7759?7762; ECEC, Angew.?Chem.?Int.?Ed. 2018, 57, 5695–5698; EC, ACS Catal. 2018, 8, 1192?1196）的電有機(jī)反應(yīng)的熱力學(xué)、電極動(dòng)力學(xué)等參數(shù)和反應(yīng)產(chǎn)率的關(guān)聯(lián)，從不同反應(yīng)底物及條件的相應(yīng)電化學(xué)循環(huán)伏安曲線中提取相關(guān)電化學(xué)參數(shù)（如起始電勢(shì)、Tafel斜率、有效電壓、峰電位及半波電位）用作評(píng)估及預(yù)測(cè)相應(yīng)反應(yīng)產(chǎn)率的“電化學(xué)反應(yīng)描述符”。通過(guò)繪制三維或二維“電描述符圖”，發(fā)現(xiàn)其中對(duì)應(yīng)較高產(chǎn)率的數(shù)據(jù)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)較低（或不反應(yīng)）產(chǎn)率的數(shù)據(jù)點(diǎn)在圖中顯示出明顯的邊界，即高產(chǎn)率的數(shù)據(jù)點(diǎn)集中在電化學(xué)描述符圖中的“熱區(qū)”。
圖1. 具有反應(yīng)“熱區(qū)”的三維或二維“電化學(xué)描述符圖”
利用電化學(xué)描述符數(shù)據(jù)集，作者進(jìn)一步通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法，以及從電化學(xué)描述符圖中的直接定位證明了電化學(xué)描述符對(duì)反應(yīng)產(chǎn)率的成功預(yù)測(cè)。這種分析和預(yù)測(cè)方法可以在開(kāi)發(fā)新型電有機(jī)合成方法（使用典型的試錯(cuò)法）時(shí)幫助節(jié)省大量時(shí)間和資源。在未來(lái)的研究中，通過(guò)將該方法與高通量實(shí)驗(yàn)和快速伏安法進(jìn)行集成，電化學(xué)描述符系統(tǒng)將有望成為用于電有機(jī)合成高通量底物篩選和條件優(yōu)化的通用且有效的工具。
圖2. 通過(guò)電化學(xué)描述符，實(shí)現(xiàn)對(duì)于未知底物/反應(yīng)條件下反應(yīng)產(chǎn)率的機(jī)器學(xué)習(xí)或可視化預(yù)測(cè)
此項(xiàng)研究工作得到了江蘇省自然科學(xué)基金（BK20180321）、中央高?？蒲薪?jīng)費(fèi)（020514380224）、國(guó)家自然科學(xué)基金（21833002, 21673110）等項(xiàng)目的支持。文章鏈接為https://doi.org/10.1002/anie.202014072
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