Billige, genanvendelige Mn-katalysatorer sørger for effektiv alkylering af ketoner med alkoholer

Ved syntetisering af nye forbindelser er det fordelagtigt at have reaktanter, der er bredt tilgængelige, og en enkel metode, som giver et højt udbytte af produkter med lidt spild (uønskede biprodukter). I denne henseende kan alkylering af alkoholer gennem en metode kendt som "lån af brint" (BH) omdanne alkoholer til en bred vifte af produkter, med vand som det eneste biprodukt.

Reaktionen er centreret omkring en katalysator og begynder med en katalysator, der fjerner hydrogenatomerne fra alkoholen for at oxidere den til en carbonylforbindelse. Dette meget reaktive mellemprodukt gennemgår derefter en kondensationsreaktion med forskellige organiske forbindelser for at producere vand og modtager brinten tilbage fra katalysatoren for at danne det endelige produkt.

Ved at "låne" hydrogenatomer kan alkoholens alkylgrupper således nemt overføres til et nyt organisk molekyle indeholdende forskellige substituenter. Der er gjort bestræbelser på at få denne reaktion til at fungere med billige, biokompatible mangan (Mn) katalysatorer. Men de nuværende tilgængelige Mn-katalysatorer kræver tilsætning af stærke baser, som genererer mere affald og komplicerer katalysatorregenereringsprocessen.

Nu, i en ny undersøgelse offentliggjort i ACS catalysis , har forskere fra Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) syntetiseret en genanvendelig Mn-katalysator, der kan udføre alkyleringsreaktioner af alkoholer effektivt uden behov for en base. Forskerholdet, ledet af adjunkt Yusuke Kita, havde tidligere eksperimenteret med ruthenium-katalysatorer af ædelmetal for at udføre alkylering af alkoholer via BH-metoden.

De fandt ud af, at tilsætning af magnesiumoxid (MgO) til katalysatoren forbedrede dens hydrogeneringsevne. Gad vide om MgO ville have den samme effekt på Mn-baserede katalysatorer, de afsatte Mn-oxid (MnO_x) ) og MgO nanopartikler på et aluminiumoxid (Al₂ O₃ ) support.

Til deres glæde lettede den nye katalysator succesfuldt alkyleringsreaktionen for en lang række ketoner med alkoholer og nåede udbytter så høje som 50-92%. Yderligere, i modsætning til konventionelle Mn-katalysatorer, var den i stand til at alkylere ketonholdige substrater, såsom cyanogrupper, som ellers ville reagere med vand i nærvær af en base.

Vigtigst af alt, da reaktionen ikke producerede andre biprodukter end vand, kunne katalysatoren let regenereres med en simpel filtreringsmetode. "Den nuværende katalysator krævede ikke tilsætning af homogene stærke baser, der typisk er uundværlige for disse reaktioner og kræver stort energiforbrug til separation, genbrug og affaldsbehandling," siger Dr. Kita.

Holdet tilskrev den observerede høje katalytiske aktivitet til den tætte kontakt mellem MnO_x og MgO nanopartiklerne. Ved at bruge Fourier transform infrarød spektroskopi, en metode, der kan identificere kemiske forbindelser ved at måle mængden af ​​lys, de absorberer, identificerede forskerne for første gang en Mn hydrid (Mn-H) art på overfladen af ​​katalysatoren, hvilket tyder på, at MgO letter den effektive overførsel af brint.

"Katalysen skyldes MgO-partikler, der eksisterer sammen med MnO_x arter i Al₂ O₃ støtte og elektrondonationen fra MgO til MnO_x øger reaktiviteten af ​​Mn-H arter," forklarer Dr. Kita.

Som en omkostningseffektiv, let genanvendelig katalysator, Mn-MgO/Al₂ O₃ kunne derfor fremskynde vedtagelsen af ​​alkyleringsreaktioner via BH og hjælpe med at producere forskellige organiske forbindelser på en miljøvenlig måde. + Udforsk yderligere

Ny synergistisk enkeltatom-katalysator-tilgang bryder aktivitetsbegrænsning af forgængere