Ansträngningar att utveckla heterogena katalysatorer som tilltalar den finkemiska industrin har begränsats av underväldigande resultat. Även om vissa tillvägagångssätt har visat lovande katalytisk aktivitet, "heterogenisering" i sig är inte tillräckligt. Att antas av industrin, heterogena katalysatorer måste främja selektivitet som är svår eller till och med omöjlig att uppnå med befintliga katalytiska system - de kemiska egenskaperna hos alla föreslagna heterogena katalysatorer måste gå utöver enklare separation och återvinning.

Den kemiska flexibiliteten, avstämbar porstorlek och kemisk och strukturell stabilitet hos metall-organiska ramverk (MOF) gör dem idealiska för att designa aktiva platser på molekylär nivå. Kan selektivt adsorbera molekyler beroende på deras struktur, de kan styra selektivitet och reaktionsprestanda. Forskare har beskrivit många lovande katalytiska tillämpningar som använder MOFs som prekursorer för nya material såväl som modellsystem för att förstå heterogena katalysprocesser. Området för katalys av MOF:er är fortfarande i sin linda, fastän, eftersom de flesta exemplen är proof of concept och inte erbjuder attraktiva fördelar för befintliga katalysatorer.

I en Naturkommunikation artikel med titeln "Metalorganiska ramverk som kinetiska modulatorer för grenad selektivitet vid hydroformylering, " forskare från Paul Scherrer Institutes Syncat Group, ledd av Marco Ranocchiari, och EPFL:s Laboratory of Molecular Simulation, en beräkningsgrupp ledd av Berend Smit, använde exemplet med hydroformylering för att visa att adsorptionsegenskaper hos MOF kan utnyttjas i katalys för att erhålla tidigare omöjliga resultat. Metoderna kan användas för att förutsäga effekten av sådana mikroporösa samkatalysatorer för att öka selektiviteten i vilken homogen eller heterogen katalytisk reaktion som helst.

Hydroformylering, eller oxosyntes, är en industriell process för att erhålla aldehyder från olefiner. Nuvarande katalytiska processer ger både linjära aldehyder, som är viktiga mellanprodukter för tvättmedels- och polymerindustrin, och grenade, som anses vara ett kraftfullt verktyg för den finkemiska industrin på grund av deras möjliga användning för att producera enantioberikade produkter, det är, produkter som innehåller en större andel av en given enantiomer av en kiral substans.

De linjära isomererna bildas ofta med rodiumkatalysatorer. Grenade aldehyder bildas från rodiumkatalysatorer med tvåtandade ligander med riktande grupper för att öka selektiviteten. Att producera de eftertraktade grenade isomererna utan dessa styrande grupper är dock fortfarande en utmaning och kan endast uppnås genom komplexa Rh-katalysatorer. De har visat sig resultera, till exempel, i en selektivitet för 2-metylhexanal från 1-hexen upp till 75 % och upp till 86 % för 2-metylbutanal från 1-buten.

Forskarna screenade först flera katalytiska förhållanden för att maximera utbytet av den grenade produkten som kunde erhållas med homogen katalys. De visade sedan att de kunde gå över denna gräns och uppnå mycket högre grenad selektivitet genom att tillsätta MOF till reaktionsblandningen. De testade också olika MOF-topologier för att förstå MOF-miljöns roll i en sådan förändring i selektivitet.

Gruppen kunde visa att mikroporerna i MOF:er driver den koboltkatalyserade hydroformyleringen av olefiner till kinetiska regimer som gynnar hög grenad selektivitet, utan användning av några styrgrupper. Tillägget av MOF tillät förgrenad selektivitet på upp till 90 % i dessa fall, en bedrift som inte kan uppnås med befintliga katalysatorer. Monte Carlo och densitetsfunktionella teorisimuleringar i kombination med kinetiska modeller visar att mikroporerna hos MOF med vissa topologier ökar olefinernas densitet samtidigt som de delvis förhindrar adsorptionen av syntesgasen - detta är vad som leder till den höga grenade selektiviteten.

Även om forskningen fokuserade på aldehyder, de presenterade metoderna kan användas för att förutsäga effekten av mikroporösa samkatalysatorer för att öka selektiviteten i vilken homogen eller heterogen katalytisk reaktion som helst. Forskare kan bestämma det mikroporösa materialet som har de bästa chanserna att öka selektiviteten genom att först välja de som kan adsorbera katalysatorn samtidigt som de är inert under reaktionsförhållanden, och genom att sedan använda simuleringar för att bestämma hur de mikroporösa materialen kan ändra den lokala koncentrationen av den eller de selektivitetsbestämmande reaktanterna i mikroporerna.