Tre nye uorganiske klynger fremskynder kemiske reaktioner for at skabe kulstof-kulstofbindinger

Parfume, sprit, en kolesterolmedicin og endda biologiske processer afhænger alle af en kemisk proces kaldet aldolreaktionen. Reaktionen kombinerer primært forbindelser for at danne carbon-carbon-bindinger, som er utroligt stærke og giver et molekyle med stabilitet.

Katalysatorklynger lavet af aluminium og oxygen hjælper typisk med at fremskynde denne reaktion, men klynger, der også indeholder sjældne jordarters grundstoffer, kunne tilbyde mere ønskværdige og synergistiske egenskaber, ifølge et hold af forskere baseret i Kina.

Holdet udviklede tre sådanne klynger, som hver producerede et faktisk udbytte på mindst 74% og op til 86% af de teoretiske potentielle slutprodukter - som anses for gode i praktiske omgivelser, såsom et laboratorium. De offentliggjorde deres resultater i Polyoxometalates .

"I organisk kemi er aldol-reaktionen en af ​​de vigtigste metoder til dannelse af carbon-carbon-bindinger," sagde den tilsvarende forfatter Wei-Hui Fang, forskningsprofessor, State Key Laboratory of Structural Chemistry ved Fujian Institute of Research om Materiens struktur, Chinese Academy of Sciences. "Hidtil er mange katalysatorer blevet brugt i aldol-reaktioner, men klynger er blevet brugt mindre i denne henseende."

Klynger omfatter bundne atomer og er større end et molekyle, men mindre end et bulk fast materiale. Konventionelle katalytiske klynger, kendt som homometalliske komplekser, er lavet med aluminium og oxygen eller sjældne jordarters grundstoffer. Men ifølge Fang er heterometalliske komplekser, der kombinerer de to, langt sjældnere – på trods af egenskaber, der ville gøre det muligt for de to komponenter at arbejde bedre sammen.

"Heterometalliske forbindelser kan føre til nye synergistiske egenskaber, men forbliver relativt uudforskede på grund af komplicerede reaktionssystemer, der indeholder mere end tre komponenter, herunder to metaller plus linkere," sagde Fang.

Fang og hendes team har tidligere udviklet en metode til at producere molekylære aluminiumringe fyldt med enkelte lanthanidioner, som er en klasse af sjældne jordarters grundstoffer kendt som letmetaller. De fandt ud af, at ved at øge mængden af ​​aluminium og lanthanidionerne kunne de producere en ren klyngeforbindelse med krystallinsk struktur. Ved at ændre mængden og arten af ​​lanthanidioner – cerium, praseodym eller neodym – producerede de de tre heterometalliske klynger.

"Vi brugte ligand-kontrolleret delvis hydrolyse til at producere disse hat-formede klynger," sagde Fang. En sådan proces involverer at bruge vand til at bryde molekyler i mindre komponenter, der kan omarrangeres i forskellige komplekser. Ligander eller ioner bundet til et atom kan hjælpe med at kontrollere processen ved at forhindre visse dissociationer. "Dens unikke top-til-kant-delingsarrangement er ikke blevet rapporteret i hverken sjældne jordarters eller aluminium oxoklynger."

Delingsarrangementet refererer til, hvordan molekylerne binder sammen, med kanter og hjørner parres på en sådan måde, at klyngerne ligner hatte. Forskerne brugte forskellige billeddannelses- og kemiske analyseteknikker til at karakterisere klyngerne. De testede derefter, hvor godt hver enkelt accelererede en aldolreaktion med acetone. Ved 60°C og efter 48 timer producerede klyngen med cerium et 86% udbytte, hvilket Fang kaldte et "fremragende" resultat. Klyngen med praseodym havde et udbytte på 84 %, og klyngen med neodym havde et udbytte på 74 %.

"Det kan ses, at heterometallisk kombination af aluminium og sjældne jordarters system bringer en helt anden strukturtype fra de to uberørte systemer," sagde Fang. "Vi forventer, at den ligand-kontrollerede partielle hydrolyse vil fortsætte med at være effektiv i heterometallisk syntese."

Flere oplysninger: Xiao-Yu Liu et al., tetrameriske cubanske Al 9Ln 7 (Ln =Ce, Pr, Nd) klynger som aldoladditionskatalysatorer, Polyoxometalater (2023). DOI:10.26599/POM.2023.9140045

Leveret af Tsinghua University Press