Genanvendelig katalysator gør C–H-bindingsoxidation ved hjælp af oxygen nemmere og mere effektiv

I den kemiske industri er den selektive spaltning og oxidation af carbon-hydrogen (C-H)-bindinger, kaldet "oxidativ C-H-funktionalisering" et væsentligt trin i produktionen af ​​mange opløsningsmidler, polymerer og overfladeaktive stoffer, såvel som mellemprodukter til agrokemikalier og lægemidler. Ideelt set ville man ønske at bruge oxygen (O₂ ) som den eneste oxidant i denne proces for at undgå at bruge dyrere og miljøbelastende stoffer, såsom hydrogenperoxid (H₂ O₂ ), chlor (Cl₂ ), eller salpetersyre (HNO₃ ).

Men ved at bruge O₂ da oxidationsmidlet medfører nogle uløste problemer. Mens der er gjort nogle fremskridt inden for genanvendelige og genanvendelige katalysatorer, kræver de fleste heterogene systemer høje reaktionstemperaturer, høje O₂ tryk eller brug af giftige tilsætningsstoffer. Til gengæld ødelægger dette omfanget af potentielle applikationer, skalerbarhed og effektivitet af disse katalytiske systemer.

På denne baggrund fandt et team af forskere fra Tokyo Tech, ledet af lektor Keigo Kamata, for nylig en lovende katalysator for oxidativ CH-funktionalisering. Som forklaret i deres papir offentliggjort i ACS Applied Materials &Interfaces , udledte de, at isolerede mangan (Mn) arter fikseret i en krystallinsk matrix kunne udgøre en højtydende heterogen katalysator selv ved milde reaktionsbetingelser, baseret på tidligere viden.

Derfor undersøgte de katalysatoren murdochite-type Mg₆ MnO₈ , en stensaltstruktur af magnesiumoxid (MgO) med en ottendedel af Mg ²⁺ ioner erstattet med Mn ⁴⁺ ioner og en anden ottendedel erstattet med ledige stillinger, hvilket resulterer i en krystal med Mn ioner og ledige stillinger ordnet optager skiftende lag. Ved at bruge en omkostningseffektiv sol-gel-metode hjulpet af æblesyre, forberedte holdet Mg₆ MnO₈ nanopartikler med et meget stort overfladeareal. Dr. Kamata uddyber:"Det specifikke overfladeareal af vores Mg₆ MnO₈ katalysator var 104 m ² /g, omkring syv gange højere end for Mg₆ MnO₈ syntetiseret ved hjælp af tidligere rapporterede metoder."

Forskerne påviste også gennem adskillige eksperimenter, at deres Mg₆ MnO₈ nanopartikler kunne effektivt katalysere den selektive oxidation af C-H af forskellige alkylarenforbindelser selv under milde reaktionsbetingelser, nemlig 40°C og atmosfærisk tryk. Udbyttet af slutprodukterne var også højere end det opnåede ved anvendelse af eksisterende Mn-baserede katalysatorer. For at toppe tingene, Mg₆ MnO₈ nanopartikler kunne let genvindes via filtrering og derefter genbruges uden noget tilsyneladende tab i katalytisk aktivitet efter flere cyklusser.

Endelig søgte holdet at forstå, hvorfor deres foreslåede katalysator fungerede så godt gennem en række kinetiske og mekanistiske undersøgelser. De konkluderede, at isoleringen af ​​redoxsteder (Mn-arter, i dette tilfælde) i en krystallinsk basematrix (MgO) var et særligt vigtigt træk for at opnå oxidativ CH-funktionalisering ved hjælp af O₂ ved milde forhold.

Tilfreds med resultaterne og deres resultater spekulerer Dr. Kamata:"Vores tilgang udgør en lovende strategi for udvikling af højeffektive heterogene oxidationssystemer med brede substratomfang." + Udforsk yderligere

Bariumruthenat:En højtydende, lethåndterlig perovskitkatalysator til oxidation af sulfider