Enthüllung, wie Wasser und Ionen chemische Reaktivitäten an Fest-Wasser-Grenzflächen beeinflussen

Fest-Wasser-Grenzflächen sind allgegenwärtig und essentiell in einer Vielzahl von natürlichen und künstlichen Systemen und Prozessen, von der Mineralbildung, Gesteinsverwitterung und Metallkorrosion bis hin zum komplizierten Funktionieren biologischer Membranen und Ionenkanäle.

In all diesen Systemen und Prozessen spielen Wasser und wassergetragene Ionen eine entscheidende Rolle und untermauern die chemischen Reaktivitäten an Grenzflächen, aber oft fehlt ein grundlegendes Verständnis dieser Rollen und Effekte. Wasser gilt als ein „grünes“ Medium, das reichlich verfügbar, umweltfreundlich und kostengünstig ist, sodass der Vorteil der Durchführung chemischer Reaktionen in Wasser gegenüber organischen Lösungsmitteln – die aus guten Gründen die synthetische organische Chemie dominiert haben – selbstverständlich erscheint, selbst aus a Sicht des Laien.

Eine der Schlüsselfragen lautet jedoch: „Können wir mit guter Präzision und Genauigkeit vorhersagen, ob Wasser eine chemische Reaktion gegenüber einem festen Katalysator verstärkt oder unterdrückt?“ Offensichtlich hängt die Antwort von unserer Fähigkeit ab, die Reaktivitätstrends an den dynamischen und komplexen Grenzflächen zwischen dem katalytischen Feststoff und der wässrigen Umgebung in großer Tiefe zu verstehen, was wiederum zur Formulierung und Entdeckung neuer Konzepte, Prinzipien und Kriterien führen wird die genutzt werden können, um die chemischen Reaktivitäten in Richtung des Zielprodukts oder der Produktpaletten zu maximieren.

Trotz der gewaltigen Herausforderungen, die mit dieser Mission verbunden sind, hat die heterogene Katalyse-Community in den letzten Jahrzehnten große Fortschritte gemacht, sowohl dank der rasanten Entwicklung von Werkzeugkästen als auch der Intensivierung des interdisziplinären Wissenstransfers.

Wo stehen wir also nach jahrzehntelanger Forschung zu heterogen katalysierten Reaktionen in wässriger Phase? Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Hui Shi von der Yangzhou University, China, konzentrierte sich auf feste Säure-Base-Katalysatoren, die eine Untergruppe heterogener Katalysatoren mit breiten Anwendungen in der chemischen Industrie darstellen, und erstellte eine umfassende Bewertung der strukturellen Rolle von Wassermolekülen von Wasser abgeleitete Einheiten und darin gelöste ionische Spezies für die heterogene Säure-Base-Katalyse an der Fest-Wasser-Grenzfläche.

Indem sie ihre Aufmerksamkeit weiter auf Alkoholdehydratisierung, Aldolkondensation und Zuckerisomerisierung beschränkten, die allesamt prototypische Säure-Base-katalysierte Reaktionen sind, beschrieben diese Autoren eine Reihe von wasserinduzierten Effekten anhand sorgfältig ausgewählter Beispiele und diskutierten kritisch ihre chemischen Ursprünge und katalytischen Reaktionen Konsequenzen. Die Rezension wurde veröffentlicht in Chinesisches Journal für Katalyse.

Diese Autoren berichteten über große Fortschritte beim Verständnis mehrerer allgemeiner Wirkungsweisen auf atomistischer und molekularer Ebene, durch die Wasser die Reaktionsmechanismen und Struktur-Leistungs-Beziehungen beeinflusst, und stützten sich auf die neuen Erkenntnisse, die für die einzelnen Sätze der Säure-Base-Katalyse bei der gewonnen wurden Fest-Wasser-Grenzfläche.

Es ist besonders wichtig zu erkennen, dass die polaren Oberflächenfunktionalitäten, beispielsweise Silanole und Kation-Anionen-Paare, und die Polarität und H-Bindungseigenschaften der verschiedenen Zustände entlang des Reaktionspfads den dramatischsten Einfluss auf die Manifestation von Wassereffekten haben. Durch eine vergleichende Analyse kamen sie zu dem Schluss, dass für eine analoge Reihe von Reaktionen erwartet werden kann, dass die Rolle von Wasser aus einer bestimmten Untergruppe solcher Chemien verallgemeinerbar ist. Abschließend wurden einige aufkommende Konzepte hervorgehoben, von denen angenommen wurde, dass es sich lohnt, sie weiter zu untersuchen, wie z ).

Laut Prof. Hui Shi: „Obwohl viele Bemühungen zur Durchführung von Reaktionen in Wasser oder wässrigen Lösungsmitteln durch die inhärente Unbedenklichkeit von Wasser sowie seine Verfügbarkeit und Kosten motiviert waren, sollte die Verwendung von Wasser als Lösungsmittel oder als Bestandteil von Lösungsmittelgemischen niemals sein eine schlecht informierte Entscheidung ohne ein solides Verständnis der chemischen Ursprünge ihrer fördernden oder nachteiligen Wirkungen.

Tatsächlich reicht manchmal sogar ein winziger Tropfen Wasser aus, um die katalytische Reaktion dramatisch anzukurbeln oder die Umwandlung vollständig zu „töten“. Die Assimilation der in diesem Übersichtsartikel zusammengefassten Erkenntnisse wird Forschern und Praktikern wahrscheinlich dabei helfen, ein kohärentes Bild über wasserbezogene Auswirkungen zu erstellen und eine bessere Kontrolle über das praktische Ergebnis in einer gewünschten und bevorzugten Richtung zu erlangen.