Sporing af reaktiviteten af ​​katalysatorer

Et internationalt team af kemikere har fundet en metode til at fremskynde udviklingen af ​​nye katalysatorer. Brug af NMR -spektroskopi sammen med beregningskemi, de kan vurdere, om molekyler kan aktivere reaktioner eller ej.

Omkring 90 procent af alle kemiske processer i industrien afhænger af katalysatorer - molekyler, der muliggør eller fremskynder kemiske reaktioner, således at de kan finde sted ved lavere temperaturer. Analogien fra naturen er enzymer, der selektivt og meget effektivt udfører komplekse biokemiske transformationer i organismen.

I industrien, katalysatorer er afgørende for at spare energi, gøre processer mere bæredygtige og derfor omkostningseffektive. Der er naturligvis en enorm interesse i at opdage sådanne nye reaktioner, der gør det muligt at producere kemikalier og materialer på en mere effektiv måde. Imidlertid, katalysatorudvikling er stadig meget empirisk i dag, stærkt afhængig af forsøg og fejl, og nogle gange held.

Forstå katalysatorer i detaljer

For at udvikle nye katalysatorer og gøre dem mere effektive, det er vigtigt at forstå fordelingen og bindingsevnen for deres elektroner i detaljer. Denne elektroniske struktur bestemmer molekylernes karakter, for eksempel farven, lugten, men også reaktiviteten. Hvis den nøjagtige elektroniske struktur af en forbindelse er kendt, det er også muligt at forudsige dens kemiske egenskaber.

Det er præcis, hvad forskere i prof. Copérets gruppe, i samarbejde med et internationalt team, har nu indset:Brug af nuklear magnetisk resonans (NMR) spektroskopi-en af ​​de mest almindelige analytiske metoder inden for kemi-i kombination med den nyeste beregningskemi, de kan nu få indsigt i katalysatorers elektroniske struktur og forudsige deres reaktivitet. Denne nye metode, som de netop har offentliggjort i PNAS vil gøre design og opdagelse af katalysatorer lettere og mindre afhængig af screening og serendipitet.

Polymeriserende ethylen

I deres undersøgelse, forskerne undersøgte katalysatorer, der bruges i industrien til at polymerisere olefiner. Polyolefiner er råvarekemikalier, såsom polypropylen og polyethylen. Deres applikationer spænder fra emballage og fiskenet til avancerede produkter såsom skudsikre veste. Polyethylen fremstilles ved at polymerisere ethylen i nærvær af såkaldte organometalliske katalysatorer-molekyler, der indeholder et metal bundet til mindst ét ​​carbonatom.

I grundlæggende kemiforelæsninger, eleverne lærer, at der er single, dobbelt- og trippelbindinger i molekyler. Og de lærer, at polyolefiner produceres af katalysatorer, der indeholder en metal-carbon-enkeltbinding. Imidlertid, denne undersøgelse viser, at virkeligheden ikke altid er så enkel:I den undersøgte klasse af katalysatorer, kulstof-metalbindingen ligger mellem en enkeltbinding og en dobbeltbinding, afhængigt af metal og ladning.

Dobbeltbindingskarakter bestemmer reaktivitet

Graden af ​​denne dobbeltbinding er afgørende for den katalytiske aktivitet. Det var præcis denne dobbeltbindingskarakter, som forskerne nu var i stand til at udlede af NMR -spektroskopi direkte fra det kemiske skift af carbonatomet. De kunne vise, at jo mere bindingen mellem metal og carbonatomer opfører sig som en dobbeltbinding, jo lettere en katalysator producerer polyolefiner. Forskere havde hidtil ikke forstået dette faktum, som giver en kontraintuitiv konklusion:jo mere dobbeltbindingskarakter metal-carbonbindingen har, jo kortere og stærkere den er - alligevel jo lettere er det at bryde det under olefinpolymerisation.

Designe katalysatorer hurtigere

Ved at kombinere NMR -spektroskopi med teoretiske beregninger, det er nu muligt at forudsige, om en katalysator vil muliggøre en kemisk reaktion. Forskerne forventer, at denne nye metode vil give kemikere en finere forståelse af den elektroniske struktur af katalysatorer og fremskynde katalysatordesign i fremtiden.