Ett internationellt team av kemister har hittat en metod för att påskynda utvecklingen av nya katalysatorer. Använda NMR -spektroskopi tillsammans med beräkningskemi, de kan utvärdera om molekyler kan aktivera reaktioner eller inte.

Ungefär 90 procent av alla kemiska processer i industrin är beroende av katalysatorer - molekyler som möjliggör eller påskyndar kemiska reaktioner, så att de kan ske vid lägre temperaturer. Analogin från naturen är enzymer som utför komplexa biokemiska transformationer i organismen selektivt och mycket effektivt.

Inom industrin, katalysatorer är viktiga för att spara energi, göra processer mer hållbara och därmed kostnadseffektiva. Det finns uppenbarligen ett stort intresse för att upptäcka sådana nya reaktion som gör det möjligt att producera kemikalier och material på ett mer effektivt sätt. Dock, katalysatorutveckling är fortfarande mycket empirisk nuförtiden, starkt beroende av försök och fel, och ibland tur.

Förstå katalysatorer i detalj

För att utveckla nya katalysatorer och göra dem mer effektiva, det är viktigt att förstå fördelningen och bindningsförmågan hos deras elektroner i detalj. Denna elektroniska struktur bestämmer molekylernas karaktär, till exempel färgen, lukten, men också reaktiviteten. Om den exakta elektroniska strukturen för en förening är känd, det är också möjligt att göra förutsägelser om dess kemiska egenskaper.

Detta är exakt vad forskare i prof. Copérets grupp, i samarbete med ett internationellt team, har nu insett:Användning av nukleär magnetisk resonans (NMR) spektroskopi-en av de vanligaste analytiska metoderna inom kemi-i kombination med toppmodern beräkningskemi, de kan nu få insikt i katalysatorernas elektroniska struktur och förutsäga deras reaktivitet. Denna nya metod som de just publicerade i PNAS kommer att göra utformningen och upptäckten av katalysatorer enklare och mindre beroende av screening och serendipitet.

Polymeriserande eten

I deras studie, forskarna undersökte katalysatorer som används inom industrin för att polymerisera olefiner. Polyolefiner är råvarukemikalier som polypropen och polyeten. Deras applikationer sträcker sig från förpackningar och fiskenät till avancerade produkter som skottsäkra västar. Polyeten produceras genom polymerisering av eten i närvaro av så kallade organometalliska katalysatorer-molekyler som innehåller en metall bunden till minst en kolatom.

I grundläggande kemiföreläsningar, eleverna lär sig att det finns singlar, dubbel- och trippelbindningar i molekyler. Och de lär sig att polyolefiner produceras av katalysatorer som innehåller en metall-kol-enkelbindning. Dock, denna studie visar att verkligheten inte alltid är så enkel:I den undersökta klassen av katalysatorer, kol-metallbindningen ligger mellan en enkelbindning och en dubbelbindning, beroende på metall och laddning.

Dubbelbindningstecken avgör reaktivitet

Graden av denna dubbelbindning är avgörande för den katalytiska aktiviteten. Det var just denna dubbelbindningskaraktär som forskarna nu kunde härleda från NMR -spektroskopi direkt från den kemiska skiftningen av kolatomen. De kan visa att ju mer bindningen mellan metall- och kolatomer beter sig som en dubbelbindning, ju lättare en katalysator producerar polyolefiner. Forskare hade hittills inte förstått detta faktum som ger en kontraintuitiv slutsats:ju mer dubbelbindningskaraktär metall-kolbindningen har, ju kortare och starkare den är - ändå desto lättare är det att bryta den under olefinpolymerisation.

Designa katalysatorer snabbare

Genom att kombinera NMR -spektroskopi med teoretiska beräkningar, det är nu möjligt att förutsäga om en katalysator kommer att möjliggöra en kemisk reaktion. Forskarna förväntar sig att denna nya metod kommer att ge kemister en bättre förståelse av katalysatorernas elektroniska struktur och påskynda katalysatorns design i framtiden.