Forståelse af aromaticitet i katalyse for at låse op for nye muligheder

Aromaticitet, et koncept, der normalt bruges til at forklare den slående stabilitet og usædvanlige reaktivitet af visse kulstofbaserede molekyler, kunne inspirere til design af nye katalysatorer med nye anvendelser, Det har KAUST-forskere vist.

Kemikere stødte først på aromatiske molekylers unormale opførsel i det nittende århundrede, mens de studerede benzen. Den uventede stabilitet af denne seks-carbon cykliske struktur kommer ned til dens elektroner.

Generelt, bindingselektroner holder et bestemt par atomer sammen i en diskret kemisk binding. Men i benzen, seks elektroner danner en delokaliseret ring på tværs af molekylet. Et væld af andre molekyler deler denne funktion. "Mange klassiske eksempler på organisk og organometallisk reaktivitet kan forklares på dette grundlag, " siger Théo Gonçalves, en forsker i Kuo-Wei Huangs laboratorium. "Men selvom konceptet er velkendt, der er begrænsede praktiske kemiske anvendelser af aromaticitet, " tilføjer han.

Et praktisk anvendelsesområde er inden for katalyse. Huang-gruppen udviklede for nylig en usædvanlig familie af katalysatorer kaldet PN3(P) tangkomplekser. I de fleste katalysatorer, den centrale metalion er, hvor al bindingen brydes og dannes. I PN3(P) komplekser, tangliganderne omkring metallet kan også være aktive deltagere i den katalytiske proces. "Vores PN3(P) ligandplatform muliggør katalytiske applikationer ud over konventionelle systemer, hvor metal er centrum for reaktivitet, " siger Huang.

Da holdet studerede tangkompleksers katalytiske adfærd, de viste, at en seksleddet ringstruktur kortvarigt dannes under katalyse, og at aromaticitet kom i spil. "Vi har leveret stærke beviser for, at under den katalytiske cyklus, vores katalyse drager fordel af den ekstra energi, der kommer fra aromatisering af ringen, " siger Gonçalves. "Justering af graden af ​​aromatisering vil forsigtigt justere reaktionsoutputtet."

PN3(P)-tangfamilien har høj katalytisk ydeevne til reaktioner såsom selektiv hydrogenproduktion fra myresyre til reduktion af kuldioxid (CO) ₂ ) og til dannelse af estere og iminer. Men den reelle værdi af forskningen kunne være fra den nye indsigt, den genererer i aromaticitetens rolle i katalyse, og de nye horisonter, der åbner sig som følge heraf. "Før vores arbejde, betydningen af ​​aromaticiteten blev ikke fremhævet på dette område, " siger Gonçalves. "Grundlæggende forståelse af aromatisering og dearomatisering vil tillade et nyt design af katalysatorer mod bedre ydeevne og måske ny reaktivitet."

"Vores opdagelse handler ikke om at identificere en ny eller bedre katalysator for en kendt reaktion, men om at åbne et nyt felt for ubegrænsede nye muligheder i fremtiden, " tilføjer Huang.