Nye lysdrevne katalysatorer kan hjælpe med fremstillingen

Kemiske reaktioner, der er drevet af lys, er et kraftfuldt værktøj for kemikere, der designer nye måder at fremstille lægemidler og andre nyttige forbindelser på. Udnyttelse af denne lysenergi kræver fotoredox-katalysatorer, som kan absorbere lys og overføre energien til en kemisk reaktion.

MIT-kemikere har nu designet en ny type fotoredox-katalysator, der kan gøre det nemmere at inkorporere lysdrevne reaktioner i fremstillingsprocesser. I modsætning til de fleste eksisterende fotoredox-katalysatorer er den nye klasse af materialer uopløselig, så den kan bruges igen og igen. Sådanne katalysatorer kunne bruges til at belægge rør og udføre kemiske transformationer på reaktanter, når de strømmer gennem røret.

"At være i stand til at genbruge katalysatoren er en af ​​de største udfordringer at overvinde med hensyn til at kunne bruge fotoredox-katalyse i fremstillingen. Vi håber, at vi ved at være i stand til at lave flowkemi med en immobiliseret katalysator kan tilbyde en ny måde at gøre det på. fotoredox-katalyse på større skalaer," siger Richard Liu, en MIT postdoc og den fælles hovedforfatter af det nye studie.

De nye katalysatorer, som kan indstilles til at udføre mange forskellige typer reaktioner, kan også inkorporeres i andre materialer, herunder tekstiler eller partikler.

Timothy Swager, John D. MacArthur-professor i kemi ved MIT, er seniorforfatter af papiret, som i dag vises i Nature Communications . Sheng Guo, en MIT-forsker, og Shao-Xiong Lennon Luo, en MIT-kandidatstuderende, er også forfattere til papiret.

Hybride materialer

Photoredox-katalysatorer virker ved at absorbere fotoner og derefter bruge denne lysenergi til at drive en kemisk reaktion, analogt med hvordan klorofyl i planteceller absorberer energi fra solen og bruger den til at bygge sukkermolekyler.

Kemikere har udviklet to hovedklasser af fotoredox-katalysatorer, som er kendt som homogene og heterogene katalysatorer. Homogene katalysatorer består normalt af organiske farvestoffer eller lysabsorberende metalkomplekser. Disse katalysatorer er nemme at indstille til at udføre en specifik reaktion, men ulempen er, at de opløses i opløsningen, hvor reaktionen finder sted. Det betyder, at de ikke nemt kan fjernes og bruges igen.

Heterogene katalysatorer er på den anden side faste mineraler eller krystallinske materialer, der danner plader eller 3D-strukturer. Disse materialer opløses ikke, så de kan bruges mere end én gang. Disse katalysatorer er imidlertid sværere at indstille for at opnå en ønsket reaktion.

For at kombinere fordelene ved begge disse typer katalysatorer besluttede forskerne at indlejre farvestofferne, der udgør homogene katalysatorer, i en fast polymer. Til denne applikation tilpassede forskerne en plastiklignende polymer med bittesmå porer, som de tidligere havde udviklet til at udføre gasseparationer. I denne undersøgelse viste forskerne, at de kunne inkorporere omkring et dusin forskellige homogene katalysatorer i deres nye hybridmateriale, men de mener, at det kunne virke mere, mange flere.

"Disse hybride katalysatorer har genanvendeligheden og holdbarheden af ​​heterogene katalysatorer, men også den præcise tunerbarhed af homogene katalysatorer," siger Liu. "Du kan inkorporere farvestoffet uden at miste dets kemiske aktivitet, så du kan mere eller mindre vælge fra de titusindvis af fotoredox-reaktioner, der allerede er kendt, og få en uopløselig ækvivalent til den katalysator, du har brug for."

Forskerne fandt ud af, at inkorporering af katalysatorerne i polymerer også hjalp dem til at blive mere effektive. En grund er, at reaktantmolekyler kan holdes i polymerens porer, klar til at reagere. Derudover kan lysenergi nemt rejse langs polymeren for at finde de ventende reaktanter.

"De nye polymerer binder molekyler fra opløsning og prækoncentrerer dem effektivt til reaktion," siger Swager. "De exciterede tilstande kan også hurtigt migrere gennem polymeren. Den kombinerede mobilitet af den exciterede tilstand og opdelingen af ​​reaktanterne i polymeren giver hurtigere og mere effektive reaktioner, end det er muligt i rene opløsningsprocesser."

Højere effektivitet

Forskerne viste også, at de kunne tune de fysiske egenskaber af polymerrygraden, herunder dens tykkelse og porøsitet, baseret på hvilken anvendelse de ønsker at bruge katalysatoren til.

Som et eksempel viste de, at de kunne lave fluorerede polymerer, der ville klæbe til fluorerede rør, som ofte bruges til kontinuerlig flow-fremstilling. Under denne type fremstilling strømmer kemiske reaktanter gennem en række rør, mens nye ingredienser tilsættes, eller andre trin, såsom oprensning eller adskillelse, udføres.

I øjeblikket er det udfordrende at inkorporere fotoredoxreaktioner i kontinuerlige flowprocesser, fordi katalysatorerne opbruges hurtigt, så de løbende skal tilsættes opløsningen. Inkorporering af de nye MIT-designede katalysatorer i rørene, der bruges til denne form for fremstilling, kan gøre det muligt at udføre fotoredox-reaktioner under kontinuerlig strøm. Slangen er klar, hvilket tillader lys fra en LED at nå katalysatorerne og aktivere dem.

"Ideen er, at katalysatoren skal belægge et rør, så du kan flyde din reaktion gennem røret, mens katalysatoren bliver siddende. På den måde får du aldrig katalysatoren til at ende i produktet, og du kan også komme meget højere op. effektivitet," siger Liu.

Katalysatorerne kan også bruges til at belægge magnetiske perler, hvilket gør dem nemmere at trække ud af en opløsning, når reaktionen er afsluttet, eller til at belægge reaktionshætteglas eller tekstiler. Forskerne arbejder nu på at inkorporere et bredere udvalg af katalysatorer i deres polymerer og på at konstruere polymererne for at optimere dem til forskellige mulige anvendelser. + Udforsk yderligere

Ny synergistisk enkeltatom-katalysator-tilgang bryder aktivitetsbegrænsning af forgængere