丁梦宁、黎书华、程旭合作发展出“电化学反应描述符”体系实现电有机合成产率预测

zhongfei

近日，南京大学化学化工学院丁梦宁课题组、黎书华课题组及程旭课题组合作完成了对于不同机制电有机合成反应的电化学系统参数研究，并成功发展出“电化学反应描述符（electro-descriptor）”体系用于不同底物和反应条件下电有机合成产率的描述符热点图及机器学习预测。该成果以“Electro-descriptors for the performance prediction of electro-organic synthesis”为题在Angew. Chem. Int. Ed. 上在线发表（DOI: 10.1002/anie.202014072）。论文的共同第一作者为我院2015级本科生陈宇轩（现斯坦福大学2019级博士生）和我院2015级本科生田栢麟（现我院2019级硕士生），18级博士生程正为第三作者，丁梦宁教授和黎书华教授为该论文的通讯作者。
       电化学有机合成作为一种绿色可持续的多功能合成平台引起了学术和产业界的广泛关注。对电有机反应的反应热力学，界面动力学和化学耦合过程的定量评估，既凸显了电化学合成的独特性，又可以借助电分析手段及数据分析方法的创新，用以指导新型合成路线的设计和发展。在这一工作中，作者系统研究了三种具有典型电化学反应机理（EEC, Org. Lett. 2019, 21, 7759−7762; ECEC, Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 5695–5698; EC, ACS Catal. 2018, 8, 1192−1196）的电有机反应的热力学、电极动力学等参数和反应产率的关联，从不同反应底物及条件的相应电化学循环伏安曲线中提取相关电化学参数（如起始电势、Tafel斜率、有效电压、峰电位及半波电位）用作评估及预测相应反应产率的“电化学反应描述符”。通过绘制三维或二维“电描述符图”，发现其中对应较高产率的数据点与对应较低（或不反应）产率的数据点在图中显示出明显的边界，即高产率的数据点集中在电化学描述符图中的“热区”。

图1. 具有反应“热区”的三维或二维“电化学描述符图”

       利用电化学描述符数据集，作者进一步通过机器学习算法，以及从电化学描述符图中的直接定位证明了电化学描述符对反应产率的成功预测。这种分析和预测方法可以在开发新型电有机合成方法（使用典型的试错法）时帮助节省大量时间和资源。在未来的研究中，通过将该方法与高通量实验和快速伏安法进行集成，电化学描述符系统将有望成为用于电有机合成高通量底物筛选和条件优化的通用且有效的工具。

图2. 通过电化学描述符，实现对于未知底物/反应条件下反应产率的机器学习或可视化预测

       此项研究工作得到了江苏省自然科学基金（BK20180321）、中央高校科研经费（020514380224）、国家自然科学基金（21833002, 21673110）等项目的支持。文章链接为https://doi.org/10.1002/anie.202014072


       文章来源：南京大学
        
        程旭，南京大学教授、博士生导师，2000年毕业于南开大学化学系，获得学士学位；2005年，毕业于南开大学元素有机化学研究所，获得博士学位，指导教师是周其林教授。2005～2008年在德国Max-Planck煤炭研究所，从事博士后研究工作；2008～2009年在美国德克萨斯州立Austin分校，化学系从事博士后研究工作；2012年7月~2017年6月担任南京大学化学化工学院副教授，硕士生导师；2017年7月至2018年6月担任南京大学化学化工学院教授，博士生导师。2017年获德国Thieme Chemistry Jounral Award；2019年入选江苏省青蓝工程中青年学术带头人。研究方向：清洁能源驱动的物质转化，绿色合成。利用可见光及电能实现高活性物质的简单构建。
        黎书华，1969年7月生，湖南人。1990年、1993年在中南工业大学化学系分别获得学士学位和硕士学位。1996年在南京大学化学化工学院获理学博士学位。随后，在南京大学物理系(1996-1998)、美国Texas A&M大学化学系(1998-2000)从事博士后研究。2000年-2002年任南京大学化学化工学院副教授。2002年起任南京大学化学化工学院教授、博士生导师。现任化学化工学院执行院长。
       丁梦宁，男，1986年出生，江西南昌人。南京大学教授，博士生导师。2007年本科毕业于南京大学化学化工学院，2013年于匹兹堡大学化学系取得博士学位（师从2016年诺贝尔化学奖得主Sir J. Fraser Stoddart弟子，纳米传感专家Alexander Star教授），期间获匹兹堡大学杰出博士生奖，2013-2017年在加州大学洛杉矶分校从事博士后研究（合作导师为全球顶尖化学家/材料科学家段镶锋教授和黄昱教授），并于2017年入选中组部。期间的主要研究方向为功能化纳米复合材料的设计合成，及其在化学生物传感器和复杂体系下化学信号获取的应用。2017年起在南京大学担任教授。已在Science、Nature Commun.、Science Adv.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Nano Lett.、ACS Nano等杂志上发表论文20余篇。