Afsløring af, hvordan vand og ioner påvirker kemiske reaktiviteter ved fast-vandige grænseflader

Fast-vandige grænseflader er allestedsnærværende og essentielle i en bred vifte af naturlige og menneskeskabte systemer og processer, fra mineraldannelse, klippeforvitring og metalkorrosion til den indviklede funktion af biologiske membraner og ionkanaler.

I alle disse systemer og processer spiller vand og vandbårne ioner afgørende roller og understøtter de kemiske grænsefladereaktiviteter, men ofte mangler en grundlæggende forståelse af sådanne roller og virkninger. Vand betragtes som et "grønt" medium, der er rigeligt tilgængeligt, miljøvenligt og billigt, så fordelen ved at køre kemiske reaktioner i vand frem for organiske opløsningsmidler - som har domineret syntetisk organisk kemi af gode grunde - synes selvindlysende, selv fra en lægmands synspunkt.

Et af nøglespørgsmålene er imidlertid "kan vi med god præcision og nøjagtighed forudsige, om vand vil forstærke eller undertrykke en kemisk reaktion over en fast katalysator?" Tilsyneladende er svaret afhængig af vores evne til i stor dybde at forstå reaktivitetstendenserne ved de dynamiske og komplekse grænseflader mellem det katalytiske faste stof og de vandige omgivelser, hvilket igen vil føre til formulering og opdagelse af nye koncepter, principper og kriterier som kan udnyttes til at maksimere de kemiske reaktiviteter mod det målrettede produkt eller produktskifer.

På trods af de skræmmende udfordringer, der er forbundet med denne mission, har det heterogene katalysesamfund gjort store fremskridt i de sidste årtier, takket være både den hurtige udvikling af muliggørende værktøjskasser og intensiveringen af ​​tværfaglig videnoverførsel.

Så hvor står vi efter årtiers forskning i heterogent katalyserede reaktioner i den vandige fase? Med fokus på faste syre-base katalysatorer, som repræsenterer en undergruppe af heterogene katalysatorer med bred anvendelse i den kemiske industri, udarbejdede et forskerhold ledet af prof. Hui Shi ved Yangzhou University, Kina, en omfattende vurdering af vandmolekylernes roller, strukturelle dele afledt af vand og ioniske arter, der er opløst i det, til heterogen syre-base-katalyse ved faststof-vand-grænsefladen.

Ved yderligere at begrænse deres opmærksomhed på alkoholdehydrering, aldolkondensering og sukkerisomerisering, der alle er prototypiske syre-base-katalyserede reaktioner, beskrev disse forfattere et udvalg af vand-fremkaldte effekter ved hjælp af gennemtænkte eksempler og diskuterede kritisk deres kemiske oprindelse og katalytiske konsekvenser. Anmeldelsen blev offentliggjort i Chinese Journal of Catalysis .

Disse forfattere dækkede store fremskridt i den atomistiske og molekylære forståelse af adskillige generelle virkemåder, hvorved vand påvirker reaktionsmekanismerne og struktur-ydelsesrelationerne, idet de trækker på de nye beviser, der er opnået for det individuelle sæt af syre-base katalyse ved fast-vandig grænseflade.

Det er særligt vigtigt at erkende, at de polære overfladefunktionaliteter, silanoler og kation-anion-par for eksempel, og polariteten og H-bindingsegenskaberne for de forskellige tilstande langs reaktionsvejen frembringer den mest dramatiske indvirkning på manifestationen af ​​vandeffekter. Ved hjælp af en sammenlignende analyse konkluderede de, at for en analog række af reaktioner kan vands roller forventes at være generaliserbare fra en specifik undergruppe af sådanne kemier. Endelig blev nogle nye koncepter, som man mente var værd at udforske yderligere fremhævet, såsom "grænsefladeionisk styrke" (eller "trapore ionstyrke", når den faste fase indeholder mikroporer - porer, der er mindre end to nanometer eller endda under 1 nm ).

Ifølge prof. Hui Shi, "selv om mange bestræbelser på at udføre reaktioner i vand eller vandige opløsningsmidler har været motiveret af vands iboende godartethed såvel som dets tilgængelighed og omkostninger, bør brug af vand som opløsningsmiddel eller en komponent i opløsningsmiddelblandinger aldrig være et dårligt informeret valg uden en solid forståelse af den kemiske oprindelse af dets salgsfremmende eller negative virkninger."

Nogle gange er endda en lille dråbe vand tilstrækkelig til at øge den katalytiske reaktion dramatisk eller "dræbe" transformationen fuldstændigt. At assimilere de indsigter, der er opsummeret i denne oversigtsartikel, vil sandsynligvis hjælpe forskere og praktikere til at syntetisere et sammenhængende billede om vandrelaterede effekter og få en bedre kontrol over det praktiske resultat i en ønsket og foretrukken retning. + Udforsk yderligere

Forskere fremmer biomassetransformationsprocessen