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加速化學反應的方法通常包括透過新增催化劑或加熱。隨著科學研究的發展，科學家們提出很多加速反應的新方式（如介面加速和液滴加速）。對於介面加速反應，在兩相之間接觸的表面上，化學物質的種類、含量、存在狀態以及性質會發生一些變化，在一定條件下可以加速化學反應的進行。前不久，美國普渡大學的R. Graham Cooks教授利用電噴霧形成微小的液滴來加速反應的進行（Annu. Rev. Phys. Chem., 2020, 71, 31–51），這可能是因為液滴較大的比表面積以及溶劑揮發改變了氣/液介面處反應物的濃度。另外，在微小的液滴裡能夠實現強酸或者強鹼性環境，並且氣/液介面處會產生強電場，這些對反應都會有影響。氣/液介面的加速反應是比較常見的反應現象，而有關固/液介面加速反應的研究則相對較少，尤其是玻璃對反應過程的加速效果。
由於玻璃容器通常用於儲存溶液和進行反應，因此人們通常認為它是惰性的，很少有人研究其對反應的影響。最近，美國普渡大學的R. Graham Cooks教授等人提出了利用玻璃對Katritzky反應進行加速，並發現玻璃表面的矽醇基團能夠促進Katritzky反應的去質子化，從而加速反應的進行。此外，作者還基於電噴霧質譜表徵反應過程研究了玻璃對Katritzky反應動力學的影響，證明了介面（氣/液介面和固/液介面）加速反應的原理。相關工作發表在Angew. Chem. Int. Ed.期刊上。
Katritzky反應是透過活化底物的氨基來進行親核取代反應，將伯胺化合物轉化為相應的吡啶鹽。在反應過程中，如果伯胺本身的鹼性不足，則需要鹼幫助去質子化以形成開環的中間體。為此，作者以對氨基苯甲醚（panisidine）和2,4,6,-三苯基吡喃四氟化硼鹽（2,4,6-triphenylpyrylium tetrafluoroborate，TPP）在乙腈中反應為模型，在不新增任何酸或者鹼的條件下研究了玻璃對其反應速率的影響。為了保證實驗結果的一致性，作者選擇使用非攪拌條件來進行這些反應，但是在攪拌條件下也可以觀察到類似的效果。如下圖a所示，在室溫下進行的反應中，當兩種反應物濃度都是50 µM時，如果反應容器是未清洗的玻璃瓶（uncleaned glass vials，UGV）時，其產物與反應物的質譜訊號強度比要比塑膠瓶（plastic vials，PV）提高5.5倍。如果反應容器是洗滌後的玻璃瓶（prewashed glass vials，PGV），那麼加速的效果會有所降低，產物與反應物的質譜訊號強度比提高3.6倍。
隨後，作者研究了玻璃容器對不同濃度反應物的影響。為此，他們選擇了不同濃度的反應底物（5 µM、50 μM、500 μM），利用自動取樣器每隔一段時間從塑膠瓶和玻璃瓶中取樣並用電噴霧質譜（ESI-MS）檢測。經過六次注射（反應19 h）後，他們發現如果反應物濃度是5 µM時，玻璃瓶中產物與反應物的質譜訊號強度比是塑膠瓶中的56倍，而當濃度變為50 µM和500 µM時，倍數分別變為8和5。這一結果與氣/液介面的反應結果相似，即在反應試劑的濃度較低時加速效果更好。
為了更進一步研究玻璃效應對Katritzky反應的影響，作者分別將未處理以及矽烷化後的微米級玻璃微球加到反應溶液中，每毫升溶液大概含有104個玻璃微球。當在塑膠瓶中進行反應時，新增玻璃微球后產物與反應物的質譜訊號比值是未新增玻璃微球的100倍，而新增矽烷化玻璃微球則沒有提高反應速率。該結果證明了玻璃微球的加速效果是因為玻璃表面的矽醇基團引起的。當使用不同的底物時（如1b、1c），也可以得到類似的結果，證明了該方法的普適性。另外，在一定範圍內，產物與反應物的質譜訊號比值與玻璃微球的濃度呈線性關係。
為了瞭解玻璃是如何影響Katritzky反應速率的，作者在塑膠小瓶中進行了反應，同時加入了額外的酸或鹼。結果發現加入1當量乙酸對反應動力學沒有明顯影響，即使在酸性條件下使用塑膠容器反應3 h，產率也非常低（< 1%），且中間體的丰度也極低（< 0.1%）。相比之下，在0.01當量、0.1當量和1當量三乙胺條件下的反應動力學則顯示出與玻璃微珠類似的線性關係。這些結果說明Katritzky反應需要鹼的去質子化來形成中間體，而玻璃表面的矽醇基團在有機溶劑中是以矽醇陰離子形式存在的，後者可以充當Brønsted-Lowry鹼參與去質子化，進一步說明了玻璃對Katritzky反應速率影響的原因（下圖）。
作者還透過向不同體積（0.3 mL、1.2 mL）的溶液中加入相同數量的玻璃微球來證明氣/液介面和固/液介面加速效應的存在。無論是否加入玻璃微球，反應物濃度都為50 μM，結果顯示0.3 mL本體反應的產物與反應物質譜訊號強度比為1.2 mL本體反應的1.8倍，表明了氣/液介面對反應的加速效果。而在塑膠瓶中新增玻璃微球要比不新增玻璃微球的反應速率快，這表明了固/液介面對反應的加速效果。
接下來，作者選擇大小均一的玻璃微球（平均直徑為32.5 μm ± 1.2 μm）來測試玻璃的效果。為此，他們向1 mL乙腈中加入100 mg玻璃微球並製成懸浮液，然後將分離出的上清液加入反應混合物中，結果顯示並沒有起到加速作用。相比之下，向反應混合物中加入玻璃微球（分別為1.5 mg、15 mg）後，反應明顯地加速了（分別提高了33、330倍）。另外，基於玻璃微球的體積與大小，可以推算出玻璃微球上每平方奈米含有5個Si-OH，因此對於15 mg的玻璃微球，其表面上的Si-OH為9.5 nmol。對於300 μL 中50 μM的反應物，存在15 nmol的反應物分子，因此Si-OH與反應物的比例為0.63：1；而對於1.5 mg的玻璃微球，兩者的比例為0.063：1，這與催化效率的關係一致，證明了該催化效果是因為玻璃微球上Si-OH的存在所產生的。值得一提的是，該玻璃微球可以重複使用，也仍然會加速反應的進行。最後，作者透過原料與產物的質譜訊號強度比值計算了反應速率常數，結果顯示隨著初始反應物濃度的降低，反應的表觀速率常數逐漸增加，這與氣/液介面加速效果一致。
總結
在本工作中，作者發現玻璃可以影響反應的速率，並透過電噴霧質譜表徵反應過程中反應物與產物的量。研究發現玻璃表面的矽醇基團能作為鹼促進Katritzky反應中的去質子化過程，並且加速效果與玻璃微球的加入量成正比。特別是玻璃可以作為一種重複利用的催化劑，這在化學合成中具有重要的作用，也為設計新型的加速反應提供了指導。此外，透過研究反應物濃度和溶液體積對反應的影響，證明了固/液介面和氣/液介面對反應的加速效果。
Reaction Acceleration at Solid/Solution Interfaces: Katritzky Reaction Catalyzed by Glass Particles
Yangjie Li, Tsdale F. Mehari, Zhenwei Wei, Yong Liu, R. Graham Cooks
Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202014613