Parfym, rödsprit, en kolesterolmedicin och till och med biologiska processer beror alla på en kemisk process som kallas aldolreaktionen. Reaktionen kombinerar främst föreningar för att bilda kol-kolbindningar, som är otroligt starka och ger en molekyl med stabilitet.
Katalysatorkluster gjorda av aluminium och syre hjälper vanligtvis att påskynda denna reaktion, men kluster som också innehåller sällsynta jordartsmetaller kan erbjuda mer önskvärda och synergistiska egenskaper, enligt ett team av forskare baserade i Kina.
Teamet utvecklade tre sådana kluster, som vart och ett gav en faktisk avkastning på minst 74 % och upp till 86 % av de teoretiska potentiella slutprodukterna – som anses vara bra i praktiska miljöer, som ett laboratorium. De publicerade sina resultat i Polyoxometalates .
"Inom organisk kemi är aldolreaktionen en av de viktigaste metoderna för bildning av kol-kolbindningar", säger motsvarande författare Wei-Hui Fang, forskningsprofessor, State Key Laboratory of Structural Chemistry vid Fujian Institute of Research om Materiens struktur, kinesiska vetenskapsakademin. "Hittills har många katalysatorer använts i aldolreaktioner, men kluster har använts mindre i detta avseende."
Kluster består av bundna atomer och är större än en molekyl men mindre än ett fast material i bulk. Konventionella katalytiska kluster, kända som homometalliska komplex, är gjorda av aluminium och syre eller sällsynta jordartsmetaller. Men enligt Fang är heterometallkomplex som kombinerar de två mycket sällsynta – trots egenskaper som skulle göra det möjligt för de två komponenterna att fungera bättre tillsammans.
"Heterometalliska föreningar kan leda till framväxande synergistiska egenskaper men förblir relativt outforskade på grund av komplicerade reaktionssystem som innehåller mer än tre komponenter inklusive två metaller plus länkar", sa Fang.
Fang och hennes team utvecklade tidigare en metod för att producera molekylära aluminiumringar laddade med enkla lantanidjoner, som är en klass av sällsynta jordartsmetaller som kallas lättmetaller. De fann att genom att öka mängden aluminium och lantanidjonerna kunde de producera en ren klusterförening med kristallin struktur. Genom att ändra mängden och typen av lantanidjoner – cerium, praseodym eller neodym – producerade de de tre heterometalliska klustren.
"Vi använde ligandkontrollerad partiell hydrolys för att producera dessa hattformade kluster," sa Fang. En sådan process innebär att man använder vatten för att bryta molekyler till mindre komponenter som kan omordnas till olika komplex. Ligander, eller joner bundna till en atom, kan hjälpa till att kontrollera processen genom att förhindra vissa dissociationer. "Dess unika vertex-till-kant-delningsarrangemang har inte rapporterats i vare sig sällsynta jordartsmetaller eller aluminiumoxokluster."
Delningsarrangemanget hänvisar till hur molekylerna binder samman, med kanter och hörn som paras ihop på ett sådant sätt att klustren ser ut som hattar. Forskarna använde olika avbildnings- och kemiska analystekniker för att karakterisera klustren. De testade sedan hur väl var och en påskyndade en aldolreaktion med aceton. Vid 60°C och efter 48 timmar gav klustret med cerium ett 86% utbyte, vilket Fang kallade ett "utmärkt" resultat. Klustret med praseodym hade 84 % utbyte och klustret med neodym hade 74 % utbyte.
"Det kan ses att heterometallisk kombination av aluminium och systemet med sällsynta jordartsmetaller ger en helt annan strukturtyp från de två orörda systemen," sa Fang. "Vi förväntar oss att den ligandkontrollerade partiella hydrolysen kommer att fortsätta att vara effektiv i heterometallisk syntes."
Mer information: Xiao-Yu Liu et al, tetrameriska kubanska Al 9Ln 7 (Ln =Ce, Pr, Nd) kluster som aldoladditionskatalysatorer, Polyoxometalater (2023). DOI:10.26599/POM.2023.9140045
Tillhandahålls av Tsinghua University Press
