Anpassen von Katalysatoren für Feststoffe

Nov 30, 2023

Chemiker der Universität Hokkaido und des Institute for Chemical Reaction Design and Discovery (WPI-ICReDD) haben den ersten Hochleistungskatalysator entwickelt, der speziell für die mechanochemische Festkörpersynthese entwickelt und optimiert wurde. Das Team fand heraus, dass durch die Bindung langer Polymermoleküle an einen Metallkatalysator der Katalysator in einer flüssigen Phase eingefangen werden konnte, was eine effiziente Reaktivität bei nahezu Raumtemperatur ermöglichte.Dieser Ansatz, berichtetim Journal of the American Chemical Society, könnte Kosten- und Energieeinsparungen bringen, wenn es für eine breite Anwendung in der chemischen Forschung und Industrie adaptiert würde.

Chemische Synthesereaktionen werden normalerweise in Lösung durchgeführt, wo gelöste Moleküle sich vermischen und frei reagieren können. In den letzten Jahren haben Chemiker jedoch ein Verfahren namens mechanochemische Synthese entwickelt, bei dem feste Kristalle und Pulver miteinander vermahlen werden. Dieser Ansatz ist vorteilhaft, da dadurch der Einsatz gefährlicher Lösungsmittel reduziert wird und Reaktionen schneller und bei niedrigeren Temperaturen ablaufen können, wodurch Energiekosten gespart werden. Es kann auch für Reaktionen zwischen Verbindungen verwendet werden, die in verfügbaren Lösungsmitteln schwer löslich sind.

Festkörperreaktionen finden jedoch in einer ganz anderen Umgebung statt als lösungsbasierte Reaktionen. Frühere Studien ergaben, dass Palladiumkomplexkatalysatoren, die ursprünglich für den Einsatz in Lösung entwickelt wurden, bei mechanochemischen Festkörperreaktionen oft nicht ausreichend funktionierten und dass hohe Reaktionstemperaturen erforderlich waren. Die Verwendung des unmodifizierten Palladiumkatalysators für Festkörperreaktionen führte zu einer begrenzten Effizienz, da Palladium dazu neigt, in einen inaktiven Zustand zu aggregieren. Das Team beschloss, eine neue Richtung einzuschlagen und einen Katalysator zu entwickeln, um dieses mechanochemische Problem der Aggregation zu überwinden.

„Wir haben eine innovative Lösung entwickelt, bei der Palladium über einen speziell entwickelten Phosphinliganden an ein großes Polymermolekül namens Polyethylenglykol gebunden wird“, erklärt Professor Hajime Ito.

Die Polyethylenglykolmoleküle bilden einen Bereich zwischen den festen Materialien, der sich wie eine flüssige Phase auf molekularer Ebene verhält, in der mechanochemische Suzuki-Miyaura-Kreuzkupplungsreaktionen viel effizienter und ohne die problematische Aggregation von Palladium ablaufen. Neben der Erzielung deutlich höherer Produktausbeuten verlief die Reaktion effektiv nahe Raumtemperatur – die bisher leistungsstärkste Alternative erforderte eine Erwärmung auf 120 °C. Ähnliche Kreuzkupplungsreaktionen werden häufig in der Forschung und der chemischen Industrie eingesetzt.

„Dies ist die erste Demonstration eines Systems, das speziell modifiziert wurde, um das Potenzial von Palladiumkomplexkatalysatoren in der einzigartigen Umgebung einer mechanochemischen Reaktion zu nutzen“, sagt außerordentlicher Professor Koji Kubota.

Sie glauben, dass es für viele andere Reaktionen und auch für Katalysatoren angepasst werden könnte, die andere Elemente aus den Übergangsmetallen des Periodensystems verwenden.

Die breitere Einführung des Verfahrens und ähnlicher Verfahren könnte letztendlich zu erheblichen Einsparungen bei Kosten und Energieverbrauch in kommerziellen chemischen Prozessen führen und gleichzeitig eine umweltfreundlichere Produktion vieler nützlicher Chemikalien in großem Maßstab ermöglichen.

- Diese Pressemitteilung wurde ursprünglich auf der Website der Universität Hokkaido veröffentlicht