_ Utilizarea luminii pentru a controla procesul catalitic

Natura este uimitoare. A dezvoltat în organismele vii capacitatea de a regla procese biochimice complexe cu o eficiență remarcabilă. Enzimele, catalizatori naturali, joacă un rol esențial în această reglementare, asigurând îndeplinirea diferitelor nevoi fiziologice pe parcursul vieții unei celule.

În plus, molecule organice specifice și ionii metalici se leagă de enzime, modulând activitatea lor catalitică fie în sus. sau în jos. Această interacțiune de activatori și inhibitori menține armonios ordinea într-o cascadă de procese chimice din interiorul celulelor.

Cataliza enzimatică inspiră continuu oamenii de știință să mimeze natura pentru a controla diferite procese în multe domenii, de la scară mică de laborator până la producția industrială mare de mulți compuși chimici. Cu toate acestea, în ciuda eficacității ridicate a catalizatorilor sintetici, alternarea între accelerare și inhibare nu îi împiedică pe deplin să funcționeze sau este limitată la utilizarea de substanțe chimice suplimentare.

Această limitare devine deosebit de critică în gestionarea proceselor simultane și secvenţiale. , unde reacțiile paralele nedorite pot persista în ciuda încercărilor de modulare. În consecință, sunt în desfășurare multe eforturi de cercetare privind metodele de control al transformărilor complexe într-un mod eficient și ecologic, reducând utilizarea de substanțe chimice suplimentare, cu un accent deosebit pe alternarea pornirii și opririi reacțiilor selectate.

Este. este posibil? Un nou concept descris în revista ACS Catalysis aruncă o lumină clară asupra acestei întrebări.

O nouă abordare propusă de cercetătorii de la Institutul de Chimie Fizică al Academiei Polone de Științe (IPC PAS), condus de Prof. Volodymyr Sashuk, a demonstrat un control ușor asupra proceselor catalitice folosind lumină, care ar putea fi o alternativă la reglarea chimică tipică enzimelor. Pe baza conceptului propus, ar fi posibilă încetinirea sau accelerarea selectivă a reacțiilor chimice într-un mod complet controlat, fără a degrada catalizatorul însuși. Cum funcționează?

„Demonstrăm că cataliza poate fi controlată prin ascunderea catalizatorului într-un monostrat organic care învelește suprafața majorității nanoparticulelor anorganice. Datorită acestui fapt, se poate obține suprimarea completă a activității catalitice, „, susține prof. Volodymyr Sashuk.

Cercetătorii s-au concentrat pe comutarea reacțiilor ON/OFF folosind materialul nanostructurat, cataliza putând fi activată sau oprită prin utilizarea unei anumite lungimi de undă, acționând la fel ca un „comutator de lumină”. Materialul s-a bazat pe nanoparticule de aur (Au NPs) cu o dimensiune de ~3 nm decorate pe suprafața lor cu complecși organici de carben N-heterociclic (NHC) pe bază de ruteniu prin legături puternice Au-S între AuNP și liganzii tiol.

Unicitatea materialului propus constă în compoziția sa, în care un tiol voluminos (PT) creează un obstacol steric, în timp ce un tiol care conține azobenzen (SAT) susține un complex de ruteniu Hoveyda-Grubbs, numit precatalizator, care inițiază procesul catalitic prin reacția cu substratul.

Nanosistemul proiectat este fotosensibil la o gamă specifică de lumină, permițând precatalizatorului să-și schimbe poziția în monostratul organic și să controleze accesul la substrat și cataliză prin stimulare electromagnetică. .

În prezența luminii vizibile sau în întuneric, precatalizatorul pe bază de ruteniu este expus la soluție, inițiind și susținând reacția de metateză. În schimb, atunci când sistemul este supus iradierii ultraviolete, ligandul azo suferă izomerizare, acționând ca un „buton de apăsare” pentru a preveni activarea precatalizatorului.

Acest lucru este facilitat de un design de material în care inelele fenil ale liganzilor PT blochează accesul la precatalizator, ascunzându-l de soluție și inhibând eficient procesul catalitic. Fezabilitatea acestui mecanism este susținută de simulări teoretice efectuate de oamenii de știință de la Universitatea din Trieste, Italia.

Prof. Paola Posocco explică în continuare: „Calculele noastre au demonstrat că suprafața nanoparticulelor de aur acoperită cu fragmente fenil este mai bine protejată de moleculele primite decât cea care conține numai lanțuri alifatice. În mod clar, acest lucru se traduce prin oprirea catalizatorului observată.”

The metoda propusă permite dezactivarea rapidă și foarte eficientă a catalizatorului fără utilizarea de substanțe chimice suplimentare și permite controlul vitezei de reacție. Cercetătorii cred că abordarea lor neconvențională a manipulării fotoinduse a poziției precatalizatorului în materialul propus va ajuta la furnizarea de mulți catalizatori funcționali care vor găsi aplicații în diferite domenii, în special în domeniul creșterii selectivității chimice. În același timp, ei subliniază rolul interdisciplinarității în timpul cercetării.

(Fluierul)