_ Funie chimică truc la nivel molecular: cercetarea mecanismelor ajută atunci când „încercare și eroare” eșuează

În majoritatea reacțiilor chimice industriale, catalizatorii se combină cu materiile prime și le însoțesc prin etapele intermediare până la produs. În chimie, această cale este cunoscută sub denumirea de mecanism de reacție și este un fel de cutie neagră: nimeni nu știe ce se întâmplă la nivel molecular la început.

Dacă rezultatul reacției din laborator nu atinge așteptări, chimiștii recurg mai întâi la încercare și eroare. Mai simplu spus, ei modifică reacția până când funcționează. Uneori, totuși, merită să aruncăm o privire mai atentă asupra mecanismului de reacție, așa cum arată dr. Nora Jannsen de la Institutul Leibniz pentru Cataliză din Rostock folosind un model de reacție.

Ea și-a publicat recent descoperirile, pe care le-a publicat a obţinut ca parte a doctoratului ei, în Journal of the American Chemical Society.

Reacţia modelului sună nespectaculos şi, mai presus de toate, ciudat pentru urechea neprofesionului, explică Jannsen. „Benzotriazolul, de obicei un inhibitor de coroziune, este transformat într-o substanță nouă cu o alenă (accentul aici este pe a doua silabă) folosind un catalizator de rodiu”. Acesta se numește apoi alilbenzotriazol și poate fi utilizat într-o varietate de sinteze. Reacția a fost dezvoltată de un grup de cercetare condus de prof. Breit de la Universitatea din Freiburg.

Colegii din Freiburg au reușit să lege precis un „grup funcțional” de o poziție foarte specifică în benzotrialzol. Aici se află o legătură azot-hidrogen (N–H), după cum explică Jannsen.

„Grupurile funcționale” sunt importante ca segmente moleculare, deoarece sunt responsabile pentru efectul specific, de exemplu, farmaceutic.

„Echipa de la Freiburg a vrut să plaseze un astfel de grup în benzotriazol exact acolo unde este legătura N–H, iar legătura N–H trebuie să cedeze loc pentru aceasta”, continuă Jannsen. Colegii au reușit să facă asta. „Dar ei nu au înțeles pe ce bază au reușit acest lucru.”

Este regretabil. Pentru că numai cu o înțelegere a evenimentelor moleculare reacția poate fi aplicată și optimizată în mod specific în viitor. Acesta a fost scopul disertației lui Jannsen, pe care a susținut-o cu succes la Rostock în 2023.

Deci, cum funcționează o astfel de reacție? Începutul și sfârșitul sunt cunoscute. Ceea ce se știe despre această reacție este că fiecare atom din materiile prime se găsește mai târziu în produs; chimiștii numesc aceasta o reacție „atomo-economică”. Aceasta înseamnă că, în cursul reacției, hidrogenul din legătura N–H trebuie să treacă de la benzotriazol la a doua materie primă, alena.

Jannsen spune: „Oamenii de știință de la Freiburg au crezut că catalizatorul rupe legătura azot-hidrogen, adică are loc o așa-numită adăugare oxidativă a benzotriazolului. Catalizatorii de rodiu sunt cunoscuți pentru acest tip de reacție.”

Jannsen a testat ideea prin reacția mai întâi a catalizatorului de rodiu. o singură materie primă, benzotriazol. Ea a izolat mostre din această reacție pentru spectroscopie de rezonanță magnetică nucleară (RMN) și analiza structurii cristaline cu raze X. Rezultatul: „Legătura N–H nu este ruptă deloc. Benzotriazolul rămâne complet intact, se atașează doar de catalizator.”

Chimistul a descoperit apoi că a doua substanță inițială, Allen, de asemenea, se leagă de catalizator. Și aici se întâmplă următoarele: „Cele două materii prime intră în contact direct una cu cealaltă, iar benzotriazolul transferă atomul de hidrogen, cunoscut și sub numele de proton, către alenă. Catalizatorul doar ține materiile prime pe loc, dar nu intervine direct în acest pas.”

Jannsen a fundamentat apoi această propunere în detaliu folosind mecanica cuantică, adică prin modelarea teoretică a căii de reacție.

Jannsen a fost surprins că catalizatorul a gestionat totul atât de simplu. Pentru profani, poate suna un pic ca un truc chimic de frânghie. În termeni tehnici, un astfel de proces este bine cunoscut și se numește protonație.

Acest proces a avut un avantaj. Jannsen spune: „În mod interesant, condițiile de reacție pentru protonare pot fi îmbunătățite semnificativ prin adăugarea unei alte surse de protoni”. De exemplu, ea a reușit să reducă temperatura de reacție de la 80°C la temperatura camerei prin adăugarea unui tip de co-catalizator.

Jannsen a descoperit, de asemenea, că benzotriazolul poate bloca catalizatorul în anumite circumstanțe. Acesta este cazul când această substanță inițială ocupă catalizatorul de două ori, astfel încât partenerul său de reacție, allenul, nu poate găsi un spațiu liber pe catalizator.

Acest lucru paralizează activitatea catalitică și duce la ca catalizatorul să fie „ consumat.” „Probabil că ajută aici să adăugați materialul de pornire în reacție succesiv, astfel încât catalizatorul să intre mai puțin în contact cu acesta”, spune Jannsen.

(Fluierul)