Gemensamma beräknings- och experimentstudier belyser en unik egenskap hos 2-D-material-dynamiska förändringar av elektronisk konfiguration under transformationer på molekylär nivå. Upptäckten av den mekanistiska kanalen för Zelinsky -reaktionen gör det möjligt för forskare att designa effektiva karbokatalytiska processer och vägleder konstruktion av ny generation kolmaterial.

På 1920 -talet, den berömda ryska kemisten Nickolay Zelinsky arbetade med att utveckla en bekväm väg till bensen. Trimerisering av acetylen till bensen katalyseras vanligtvis av ädelmetaller och deras legeringar. Dock, Zelinsky studerade bildning av bensen från acetylen i närvaro av kol och lyckades få bra utbyten. Processen var allmänt erkänd, men dess mekanism, mycket fint och komplext, förblev ett pussel i årtionden.

Processen som Zelinsky undersökte var ett av de första exemplen när traditionella metallkatalysatorer ersattes med kol för att katalysera reaktionen. Inom nuvarande toppmoderna koncept, kärnprocessen kallas idag karbokatalys, och dess fördelar inkluderar enkelhet, hållbarhet, kostnadseffektivitet och praktisk användning.

Trots reaktionens skenbara enkelhet, den exakta katalytiska kanalen för att montera bensen från tre acetylenmolekyler är okänd. Som med många karbokatalytiska processer, den katalytiska kanalen för Zelinsky -processen förblev okänd och obegriplig. Verkligen, sådana kemiska omvandlingar förväntas ha en överlägsen komplexitetsnivå som orsakas av inblandning av fluxiella (metastabila) aktiva centra på kolytan.

En kemisk kanal för Zelinsky -processen avslöjades genom beräkningsmodellering och experimentell verifiering. Nyckeln till att förstå mysteriet med Zelinsky-reaktionen visade sig vara aktiva karbencentraler lokaliserade på kolatomer vid sicksackkanten av material av grafentyp.

Kvantkemiska beräkningar av reaktionsmekanismen ger rekonstruktion av fria energiprofiler och visualiserar rumsliga fördelningar av centrifugeringstäthet för varje steg i acetylencyklotrimeriseringsreaktionen. Det visade sig att stegvis tillsats av acetylenmolekyler till det katalytiskt aktiva centret främjas genom kontinuerlig centrifugering till β-kol av tillsatt C ₂ enhet. Vidare, reversibla centrifugeringssvängningar underlättar produktbildningen och regenererar de katalytiskt aktiva centra. På samma gång, drivkraften för fri energi säkerställer cyklotrimeriseringens preferens framför linjär oligomerisering efter tillsats av tre acetylenarter.

Den totala katalytiska cykeln styrdes av reversibla centrifugeringsoscillationer. Dessa svängningar var ansvariga för alstring av produkten och återaktivering av de katalytiskt aktiva centra. Det observerade fenomenet representerar en unik egenskap hos de π-elektronkonjugerade 2-D-kolsystemen.

Förutom deras grundläggande betydelse, karbokatalytiska reaktioner får stor uppmärksamhet av miljö- och hållbarhetsskäl. Nyckelfrågan i detta avseende är att avstå från användningen av övergångsmetallkatalysatorer, särskilt de med ädelmetaller. Deras höga kostnader, tillsammans med oundviklig urlakning av giftiga metallhaltiga arter, representerar välkända nackdelar. Till skillnad från metallkatalysatorerna, deras kolmotstycken är billiga och giftfria.

Artikeln, "Karbokatalytisk acetylen -cyklotrimerisering:en nyckelroll för oparad elektrondelokalisering, "publicerades i Journal of the American Chemical Society .