Настройка катализаторов для твердофазных реакций

Химики из Университета Хоккайдо и Института проектирования и исследований химических реакций (WPI-ICReDD) разработали первый высокоэффективный катализатор, специально разработанный и оптимизированный для твердофазного механохимического синтеза.

Команда обнаружила, что, присоединяя длинные молекулы полимера к металлическому катализатору, они могут удерживать катализатор в жидкой фазе, что обеспечивает эффективную реакционную способность при температуре, близкой к комнатной. Такой подход, о котором сообщается в Журнал Американского химического обществаможет обеспечить экономию средств и энергии, если будет адаптирован для широкого применения в химических исследованиях и промышленности.

Реакции химического синтеза обычно проводят в растворе, где растворенные молекулы могут смешиваться и свободно реагировать. Однако в последние годы химики разработали процесс, называемый механохимическим синтезом, в котором твердые кристаллы и порошки измельчаются вместе. Этот подход выгоден, потому что он снижает использование опасных растворителей и может позволить реакциям протекать быстрее и при более низких температурах, что снижает затраты на энергию. Его также можно использовать для реакций между соединениями, которые трудно растворяются в доступных растворителях.

Однако реакции в твердом состоянии происходят в совершенно иной среде, чем реакции в растворе. Предыдущие исследования показали, что катализаторы на основе комплексов палладия, изначально предназначенные для использования в растворе, часто недостаточно работают в твердофазных механохимических реакциях и что требуются высокие температуры реакции. Использование немодифицированного палладиевого катализатора для твердофазных реакций привело к ограниченной эффективности из-за склонности палладия агрегировать в неактивное состояние. Команда решила пойти в новом направлении, разработав катализатор для преодоления этой механохимической проблемы агрегации.

«Мы разработали инновационное решение, связывая палладий через специально разработанный фосфиновый лиганд с большой полимерной молекулой, называемой полиэтиленгликолем», — объясняет исследователь Хадзиме Ито.

Молекулы полиэтиленгликоля образуют область между твердыми материалами, которая ведет себя как жидкая фаза на молекулярном уровне, где механохимические реакции кросс-сочетания Сузуки-Мияуры протекают гораздо более эффективно и без проблемной агрегации палладия. В дополнение к достижению значительно более высоких выходов продукта реакция протекала эффективно при комнатной температуре — ранее наиболее эффективная альтернатива требовала нагревания до 120°C. Подобные реакции кросс-сочетания широко используются в исследованиях и химической промышленности.

«Это первая демонстрация системы, специально модифицированной для использования потенциала комплексных катализаторов палладия в уникальной среде механохимической реакции», — говорит исследователь Кодзи Кубота.

Они считают, что его можно адаптировать для многих других реакций, а также для катализаторов, использующих другие элементы из переходных металлов периодической таблицы.

Более широкое внедрение этого процесса и других подобных ему процессов может в конечном итоге привести к значительной экономии затрат и энергопотребления в коммерческих химических процессах, а также обеспечить более экологически безопасное крупномасштабное производство многих полезных химикатов.