Kemiska reaktioner går inte alltid enligt plan. Oönskade biprodukter leder till extra kostnader och slöseri med resurser. Selektiva katalysatorer kan hjälpa, men kemister måste testa stora mängder innan de hittar rätt passform. Forskare har nu undersökt, på atomnivå, hur man erhåller en palladiumkatalysator för selektiv hydrogenering av akrolein. Nyckeln verkar vara en tät, konvertibelt lager av ligandmolekyler, rapportera författarna i tidskriften Angewandte Chemie .

Akroleinmolekylen har två positioner där den kan hydreras. När den reageras med väte, antingen alkoholen, propenol, eller aldehyden, propanal, är formad. Palladiumkatalysatorer kan användas för att styra reaktionen mot propenol, men forskare har observerat att detta bara fungerar om ytan av metallen redan har belagts med reaktionspartnern eller ett liknande kolväte som en ligandprekursor. Swetlana Schauermann och hennes team vid universitetet i Kiel, Tyskland, har nu undersökt varför det är så och vad som faktiskt händer i denna reaktion.

För lagets experiment, de belade först ren palladiummetall med allylcyanid, ligandprekursorn för reaktionen. För att visualisera denna beläggning i detalj, forskarna analyserade palladiumytan med scanning tunneling mikroskopi. Resultaten visade en "plat" beläggning av allylcyaniden där alla tre kolatomer i allylen, såväl som den funktionella cyanidgruppen, ligga platt på metallatomerna. Inga utsprång från ytan noterades.

Detta platta ligandskikt förändrades när metallen exponerades för reaktionsbetingelserna och en ström av väte fördes över metallens yta. Skannade tunnelmikroskopi avslöjade en tät beläggning, men med betydligt kortare avstånd mellan molekylerna. Forskarna använde den typ av förändringar som äger rum, och spektroskopiska analyser, att räkna ut exakt vad som pågick. Vätet hade hydrerat allylcyanidmolekylen och omvandlat den till ett mättat kolväte med en funktionell imingrupp.

Iminen låg dock inte längre platt på ytan:den stod upp. Detta hände eftersom änden av molekylen med den mättade kolväteresten hade förlorat kontakten med palladiumatomerna, medan iminfunktionen förblev bunden till metallen. Katalysatorns plana yta hade förvandlats till en skog av upprättstående molekylära träd.

Denna nya beläggning aktiverade katalysatorn, möjliggör exakt positionsdockning av akroleinet och aktivering av syrefunktionen redo för hydrering. "På detta aktiva lager, akrolein bildar nästan omedelbart den önskade propenoxireaktionsmellanprodukten följt av utveckling av målprodukten propenol, ", konstaterade författarna.

Kemoselektiviteten och aktiviteten hos palladiumkatalysatorn kunde förklaras i detalj. "Detta är det första experimentella beviset på bildandet av ett aktivt ligandlager som erhållits genom verklig rymdmikroskopi, " konstaterar författarna. Teamet hoppas att detta nya, djupare förståelse skulle kunna användas för att hitta andra funktionaliseringar för att förbättra kemoselektiviteten hos metallkatalysatorer.