神奇的Leidenfrost效应，用于化学反应会怎样？

2014年，旨在关注渐冻人症的“冰桶挑战”活动风靡全球，而某位“战斗民族”的科学家甚至进行了“冰桶挑战”的Hell模式——“液氮桶挑战”，在被一桶液氮迎头浇下后（图一），这位科学家只是摇了摇头，安然无恙。要知道液氮的沸点是-196°C，这种低温对生物体来说是相当危险的，那么真是因为“战斗民族”的战斗力强而耐低温么？

图一，液氮桶挑战。图片来源：网易

事实上，这种接触液氮而不被灼伤的现象利用的是莱顿弗罗斯特效应（Leidenfrost Phenomenon），是指液体在遭遇相对于自身沸点极度炙热的表面时，会形成一层热导率较低的气态防护层，阻止液体与固体表面接触传热，同时使得液珠悬浮的现象。下面的视频里从慢镜头中可以看到水珠在极热的表面上不发生沸腾，以及以水珠的形式悬浮在固体表面（建议在WIFI环境观看视频）：

视频来源：英国巴斯大学（University of Bath）

对于液氮来说，人体表的温度要在莱顿弗罗斯特点之上，因此形成的气膜层可以有效保护人体不直接接触液氮，加上液氮本身比热较低，因此在蒸发速度较慢的情况下不会冻伤人体。也就是说，你上你也行！当然，我们还能够增加难度，直接将手插入一满杯液氮中，只要速度不慢，莱顿弗罗斯特效应形成的气膜层可以暂时保护手不被冻伤，练成“寒冰掌”指日可待。图二中可以看到手伸入一瞬间所形成的气膜层。（考虑气膜的存在时间短暂，液氮温度极低，极易造成冻伤，请勿模仿！）。

图二，手伸进液氮时皮肤表面生成的气膜层。图片来源：popsci.com

很多有机反应需要在沸腾或近沸的条件下进行，那么如果将反应液滴在一个灼热的反应器表面，其反应速率和普通液相反应有何不同呢？美国普渡大学（Purdue University）的R. Graham Cooks教授研究组设计了一个利用莱顿弗罗斯特效应进行的液滴反应，发现相比于常规的溶液或者乳浊液反应，形成莱顿弗罗斯特液滴时反应物之间由于界面效应，反应速率会加快很多，这一工作在Angew. Chem. Int. Ed.上发表。（Accelerated Chemical Reactions and Organic Synthesis in Leidenfrost Droplets. Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 10478-10482, DOI: 10.1002/anie.201605899）

其实验示意图如图三所示，一种反应物被滴加在一个热的凹面容器上，并形成气膜层而悬浮，另一种反应物由滴管沿器壁滴加，滑落到中间发生反应，作者通过固定时间采集反应液，通过质谱来检测生成物和某一反应物的比例，来比较莱顿弗罗斯特液滴下的反应速率与常规反应速率。

图三，莱顿弗罗斯特反应装置。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

以一个Katritzky反应为例，作者以产物10与反应物8在质谱上的离子峰比例作为反应转化的一个度量，比较了莱顿弗罗斯特液滴下的反应速率和常规反应速率。从质谱结果来看，相同时间内，不管是否加入碱催化剂，前者的转化率都要远高于后者，在考虑一些其它因素带来的影响进行修正后，莱顿弗罗斯特液滴的反应速率仍高于常规反应约一个数量级（图四）。

图四，一个Katritzky反应在不同反应器下的速率比较。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

作者还拿成腙反应和Claisen–Schmidt缩合反应进行了反应速率比较，莱顿弗罗斯特液滴下的反应均有速率上的优势。作者认为形成莱顿弗罗斯特液滴时，界面效应是提高反应速率的主要原因。作者通过在反应中加入少量表面活性剂，来降低这种界面效应的影响，从结果中可以看出，5%的活性剂的加入使得产物13的信号峰比例大大降低（图五）。

图五，表面活性加入（c, d）对反应度率的影响。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

作者认为，这种利用莱顿弗罗斯特液滴的反应可以极大加快反应速率，并应用在毫克级制备反应中。在附件中，作者提供了用于毫克级量产的反应装置示意图，每个液滴被隔离开反应，在反应结束后，再取走隔离环，将液滴汇集起来，通过吸管即可提取生成产物。

总的来说，这是一篇很有创意的工作，很多化学反应通过莱顿弗罗斯特液滴大大加快了反应速率（图六），虽然作者对加快速率的原因仅仅做了简单的实验推断，但这种反应方法作为一种新思路，在有机合成上可能拥有着潜在应用。

图六，利用莱顿弗罗斯特液滴的反应大大加快了反应速率。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201605899/abstract

（本文由殢无伤供稿）