Kredit:Tokyo Tech
I den kemiska industrin är den selektiva klyvningen och oxidationen av kol-väte (C-H)-bindningar, kallad "oxidativ C-H-funktionalisering" ett viktigt steg i produktionen av många lösningsmedel, polymerer och ytaktiva ämnen, såväl som mellanliggande föreningar. för jordbrukskemikalier och läkemedel. Helst skulle man vilja använda syre (O2 ) som den enda oxidanten i denna process för att undvika att använda dyrare och miljöbelastande ämnen, såsom väteperoxid (H2 O2 ), klor (Cl2 ), eller salpetersyra (HNO3 ).
Använder dock O2 eftersom oxidationsmedlet medför en del olösta problem. Även om vissa framsteg har gjorts inom området för återvinningsbara och återanvändbara katalysatorer, kräver de flesta heterogena system höga reaktionstemperaturer, höga O2 tryck eller användning av giftiga tillsatser. Detta försvagar i sin tur omfattningen av potentiella tillämpningar, skalbarhet och effektivitet hos dessa katalytiska system.
Mot denna bakgrund hittade ett team av forskare från Tokyo Tech, ledd av docent Keigo Kamata, nyligen en lovande katalysator för oxidativ CH-funktionalisering. Som förklaras i deras artikel publicerad i ACS Applied Materials &Interfaces , drog de slutsatsen att isolerade mangan (Mn) arter fixerade i en kristallin matris kunde utgöra en högpresterande heterogen katalysator även vid milda reaktionsförhållanden, baserat på tidigare kunskap.
Följaktligen undersökte de katalysatorn Murdocite-typ Mg6 MnO8 , en stensaltstruktur av magnesiumoxid (MgO) med en åttondel av Mg 2+ joner ersatt med Mn 4+ joner och ytterligare en åttondel ersatt med vakanser, vilket resulterar i en kristall med Mn-joner och vakanser som ordnat upptar alternerande lager. Med hjälp av en kostnadseffektiv sol-gel-metod med hjälp av äppelsyra förberedde teamet Mg6 MnO8 nanopartiklar med mycket stor yta. Dr. Kamata utarbetar:"Den specifika ytan av vår Mg6 MnO8 katalysatorn var 104 m 2 /g, ungefär sju gånger högre än Mg6 MnO8 syntetiseras med tidigare rapporterade metoder."
Forskarna visade också, genom många experiment, att deras Mg6 MnO8 nanopartiklar kan effektivt katalysera den selektiva oxidationen av C–H av olika alkylarenföreningar även under milda reaktionsförhållanden, nämligen 40°C och atmosfärstryck. Utbytet av slutprodukterna var också högre än det som erhölls med användning av befintliga Mn-baserade katalysatorer. Till råga på allt, Mg6 MnO8 nanopartiklar kunde lätt återvinnas via filtrering och sedan återanvändas utan någon uppenbar förlust av katalytisk aktivitet efter flera cykler.
Slutligen försökte teamet förstå varför deras föreslagna katalysator fungerade så bra genom en serie kinetiska och mekanistiska studier. De drog slutsatsen att isoleringen av redoxställen (Mn-arter, i detta fall) i en kristallin basmatris (MgO) var en särskilt viktig egenskap för att uppnå oxidativ C–H-funktionalisering med O2 vid milda förhållanden.
Nöjd med resultaten och deras resultat spekulerar Dr Kamata:"Vårt tillvägagångssätt utgör en lovande strategi för utveckling av högeffektiva heterogena oxidationssystem med breda substratomfång." + Utforska vidare
