Personalizzazione dei catalizzatori per solidi

Nov 30, 2023

I chimici dell’Università di Hokkaido e dell’Institute for Chemical Reaction Design and Discovery (WPI-ICReDD) hanno sviluppato il primo catalizzatore ad alte prestazioni specificamente progettato e ottimizzato per la sintesi meccanochimica allo stato solido. Il team ha scoperto che attaccando lunghe molecole polimeriche a un catalizzatore metallico, potevano intrappolare il catalizzatore in una fase fluida, il che consentiva una reattività efficiente a temperatura quasi ambiente.Questo approccio, segnalatonel Journal of the American Chemical Society, potrebbe comportare risparmi in termini di costi ed energia se adattato per un’ampia applicazione nella ricerca chimica e nell’industria.

Le reazioni chimiche sintetiche vengono solitamente eseguite in soluzione, dove le molecole disciolte possono mescolarsi e reagire liberamente. Negli ultimi anni, tuttavia, i chimici hanno sviluppato un processo chiamato sintesi meccanochimica, in cui cristalli e polveri allo stato solido vengono macinati insieme. Questo approccio è vantaggioso perché riduce l'uso di solventi pericolosi e può consentire alle reazioni di procedere più velocemente e a temperature più basse, risparmiando sui costi energetici. Può essere utilizzato anche per reazioni tra composti difficili da sciogliere nei solventi disponibili.

Tuttavia, le reazioni allo stato solido avvengono in un ambiente molto diverso rispetto alle reazioni basate su soluzioni. Precedenti studi avevano scoperto che i catalizzatori complessi di palladio originariamente progettati per l'uso in soluzione spesso non funzionavano sufficientemente nelle reazioni meccanochimiche allo stato solido e che erano necessarie temperature di reazione elevate. L'utilizzo del catalizzatore di palladio non modificato per le reazioni allo stato solido ha prodotto un'efficienza limitata a causa della tendenza del palladio ad aggregarsi in uno stato inattivo. Il team ha scelto di intraprendere una nuova direzione, progettando un catalizzatore per superare questo problema meccanochimico di aggregazione.

"Abbiamo sviluppato una soluzione innovativa, collegando il palladio attraverso un ligando di fosfina appositamente progettato a una grande molecola polimerica chiamata polietilenglicole", spiega il professor Hajime Ito.

Le molecole di polietilenglicole formano una regione tra i materiali solidi che si comporta come una fase fluida a livello molecolare, dove le reazioni meccanochimiche di accoppiamento incrociato Suzuki-Miyaura procedono in modo molto più efficiente e senza la problematica aggregazione del palladio. Oltre a ottenere rese di prodotto significativamente più elevate, la reazione è proceduta in modo efficace vicino alla temperatura ambiente: l'alternativa precedentemente più performante richiedeva il riscaldamento a 120°C. Simili reazioni di accoppiamento incrociato sono ampiamente utilizzate nella ricerca e nell'industria chimica.

"Questa è la prima dimostrazione di un sistema specificamente modificato per sfruttare il potenziale dei catalizzatori complessi di palladio nell'ambiente unico di una reazione meccanochimica", afferma il professore associato Koji Kubota.

Credono che potrebbe essere adattato per molte altre reazioni, e anche per catalizzatori che utilizzano altri elementi dei metalli di transizione della tavola periodica.

L’adozione più ampia del processo, e di altri simili, potrebbe alla fine portare risparmi significativi nei costi e nel consumo di energia nei processi chimici commerciali, consentendo al tempo stesso una produzione su larga scala più rispettosa dell’ambiente di molte sostanze chimiche utili.

- Il presente comunicato stampa è stato originariamente pubblicato sul sito web dell'Università di Hokkaido