Chemiker der Hokkaido University 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 sie durch Anbringen langer Polymermoleküle an einen Metallkatalysator den Katalysator in einer flüssigen Phase einschließen konnten, was eine effiziente Reaktivität nahe Raumtemperatur ermöglichte. Dieser Ansatz, berichtet in der Zeitschrift der American Chemical Societykönnte Kosten- und Energieeinsparungen bringen, wenn es für eine breite Anwendung in der chemischen Forschung und Industrie angepasst wird.
Chemische Synthesereaktionen werden normalerweise in Lösung durchgeführt, wo sich gelöste Moleküle frei vermischen und reagieren können. In den letzten Jahren haben Chemiker jedoch ein Verfahren namens mechanochemische Synthese entwickelt, bei dem Festkörperkristalle und Pulver miteinander vermahlen werden. Dieser Ansatz ist vorteilhaft, da er die Verwendung von gefährlichen Lösungsmitteln reduziert und es ermöglichen kann, dass Reaktionen schneller und bei niedrigeren Temperaturen ablaufen, wodurch Energiekosten eingespart 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 die Verwendung in Lösung entwickelt wurden, in mechanochemischen Festkörperreaktionen oft nicht ausreichend funktionierten und dass hohe Reaktionstemperaturen erforderlich waren. Die Verwendung des unmodifizierten Palladiumkatalysators für Festkörperreaktionen führte zu einer begrenzten Effizienz aufgrund der Tendenz von Palladium, in einen inaktiven Zustand zu aggregieren. Das Team entschied sich für eine neue Richtung und entwarf einen Katalysator, um dieses mechanochemische Aggregationsproblem zu überwinden.
„Wir haben eine innovative Lösung entwickelt, bei der Palladium über einen speziell entworfenen Phosphinliganden mit einem großen Polymermolekül namens Polyethylenglykol verbunden wird“, erklärt der Forscher Hajime Ito.
Die Polyethylenglykolmoleküle bilden zwischen den Feststoffen einen Bereich, der sich auf molekularer Ebene wie eine flüssige Phase verhält, in der mechanochemische Suzuki-Miyaura-Kreuzkupplungsreaktionen viel effizienter und ohne die problematische Aggregation von Palladium ablaufen. Die Reaktion erzielte nicht nur deutlich höhere Produktausbeuten, sondern lief auch effektiv nahe Raumtemperatur ab – die zuvor leistungsstärkste Alternative erforderte das Erhitzen 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 Forscher 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 anderer ähnlicher Verfahren könnte letztendlich zu erheblichen Einsparungen bei Kosten und Energieverbrauch in kommerziellen chemischen Verfahren führen und gleichzeitig eine umweltfreundlichere großtechnische Produktion vieler nützlicher Chemikalien ermöglichen.
Mehr Informationen:
Mechanochemie-gesteuertes Ligandendesign: Entwicklung eines Hochleistungs-Phosphinliganden für die Palladium-katalysierte mechanochemische Organobor-Kreuzkupplung, Zeitschrift der American Chemical Society (2023).