Få katalysatorer att spela din melodi med hjälp av vatten- och vattenburna arter. Kredit:Chinese Journal of Catalysis
Fast-vatten-gränssnitt är allestädes närvarande och väsentliga i en mångfald av naturliga och konstgjorda system och processer, från mineralbildning, stenvittring och metallkorrosion, till den komplicerade funktionen hos biologiska membran och jonkanaler.
I alla dessa system och processer spelar vatten och vattenburna joner avgörande roller och underbygger de kemiska gränsytreaktiviteterna, men ofta saknas en grundläggande förståelse för sådana roller och effekter. Vatten betraktas som ett "grönt" medium som är rikligt tillgängligt, miljövänligt och billigt, så fördelen med att köra kemiska reaktioner i vatten framför organiska lösningsmedel – som har dominerat syntetisk organisk kemi av goda skäl – verkar självklar, även från en lekmans synvinkel.
En av nyckelfrågorna är dock "kan vi med god precision och noggrannhet förutsäga om vatten kommer att förstärka eller undertrycka en kemisk reaktion över en fast katalysator?" Uppenbarligen bygger svaret på vår förmåga att på djupet förstå reaktivitetstrenderna vid de dynamiska och komplexa gränssnitten mellan det katalytiska fasta ämnet och den vattenhaltiga omgivningen, vilket i sin tur kommer att leda till formuleringen och upptäckten av nya koncept, principer och kriterier som kan utnyttjas för att maximera den kemiska reaktiviteten mot den riktade produkten eller produktskivorna.
Trots de skrämmande utmaningarna i samband med detta uppdrag har den heterogena katalysgemenskapen tagit stora framsteg under de senaste decennierna, tack vare både den snabba utvecklingen av möjliggörande verktygslådor och intensifieringen av tvärvetenskaplig kunskapsöverföring.
Så, var står vi efter decennier av forskning om heterogent katalyserade reaktioner i vattenfasen? Med fokus på fasta syra-baskatalysatorer, som representerar en undergrupp av heterogena katalysatorer med breda tillämpningar inom den kemiska industrin, sammanställde ett forskarlag under ledning av prof. Hui Shi vid Yangzhou University, Kina, en omfattande bedömning av rollerna för vattenmolekyler, strukturella delar härrörande från vatten, och joniska arter som är lösta i det, för heterogen syra-baskatalys vid gränsytan mellan fast och vatten.
Genom att ytterligare begränsa sin uppmärksamhet på alkoholdehydrering, aldolkondensering och sockerisomerisering, som alla är prototypiska syra-baskatalyserade reaktioner, beskrev dessa författare ett urval av vattenframkallade effekter, med hjälp av genomtänkta exempel, och diskuterade kritiskt deras kemiska ursprung och katalytiska egenskaper. konsekvenser. Recensionen publicerades i Chinese Journal of Catalysis .
Dessa författare täckte stora framsteg i den atomistiska och molekylära förståelsen av flera allmänna verkningssätt, genom vilka vatten påverkar reaktionsmekanismerna och struktur-prestandarelationerna, med utgångspunkt i de nya bevis som erhållits för den individuella uppsättningen av syra-baskatalys vid fast-vatten-gränssnitt.
Det är särskilt viktigt att inse att de polära ytfunktionaliteterna, silanoler och katjon-anjonpar till exempel, och polariteten och H-bindningsegenskaperna för de olika tillstånden längs reaktionsvägen ger den mest dramatiska inverkan på manifestationen av vatteneffekter. Som en jämförande analys drog de slutsatsen att för en analog serie av reaktioner kan vattnets roller förväntas vara generaliserbara från en specifik undergrupp av sådana kemier. Slutligen framhölls några framväxande koncept som ansågs vara värda att utforska ytterligare, såsom "gränsytjonstyrka" (eller "traporjonstyrka", när den fasta fasen innehåller mikroporer - porer som är mindre än två nanometer eller till och med under 1 nm ).
Enligt professor Hui Shi, "även om många ansträngningar för att utföra reaktioner i vatten eller vattenhaltiga lösningsmedel har motiverats av vattnets inneboende godartadhet samt dess tillgänglighet och kostnad, bör användning av vatten som lösningsmedel eller en komponent i lösningsmedelsblandningar aldrig vara ett dåligt informerat val utan en solid förståelse för det kemiska ursprunget till dess marknadsförings- eller negativa effekter."
Ja, ibland räcker till och med en liten droppe vatten för att förstärka den katalytiska reaktionen dramatiskt, eller "döda" transformationen helt. Att tillgodogöra sig de insikter som sammanfattas i denna översiktsartikel kommer sannolikt att hjälpa forskare och praktiker att syntetisera en sammanhängande bild av vattenrelaterade effekter och få en bättre kontroll över det praktiska resultatet i en önskad och föredragen riktning. + Utforska vidare
