Rappresentazione della reazione di rottura carbonio-idrogeno con un fuso. olefine, cioè molecole con un doppio legame tra i carboni (C=C, scatola verde) sono generati da molecole non reattive di gas naturali (scatola viola). La reazione include un catalizzatore a base di titanio (Ti) accuratamente scelto, rappresentato dalla ruota e da una molecola additiva, raffigurato sulla bobina. L'additivo aiuta la ruota a girare, riciclare il catalizzatore alla sua forma originale, quindi può essere riutilizzato per facilitare un'altra reazione. Le olefine sono la materia prima chimica per una varietà di altre sostanze chimiche, come la plastica, polimeri conduttivi, medicinali, ecc. Questa reazione può essere eseguita a basse temperature ed è la prima volta che può essere eseguita a basso costo. Credito:Istituto per le scienze di base
Sono tutti intorno a te! La maggior parte delle materie plastiche, polimeri conduttivi, e anche i farmaci derivano da molecole con un doppio legame tra due atomi di carbonio, C=C. Queste molecole sono chiamate olefine e sono prodotte principalmente da combustibili fossili attraverso un processo ad alta intensità energetica e inquinante noto come steam cracking. Richiede temperature di 800°C e produce anidride carbonica, gas serra. Inutile al giorno, alternative a questo processo che potrebbero portare benefici ambientali ed economici sono molto ricercate.
Un team di ricercatori del Center for Catalytic Hydrocarbon Functionalizations, all'interno dell'Istituto per le scienze di base (IBS), in collaborazione con il Prof. Daniel J. Mindiola dell'Università della Pennsylvania, compiuto una reazione che prima non era possibile; producevano olefine con ingredienti di facile reperibilità a basso costo ea bassa temperatura (75°C). Questo risultato della ricerca, pubblicato in Chimica della natura , apre la strada a un uso efficiente dei gas naturali per sintetizzare importanti prodotti chimici.
gas naturali, come metano ed etano, hanno forti legami carbonio-idrogeno (C-H) difficili da rompere. Il team di ricerca è riuscito a trasformare tali molecole non reattive in olefine, la materia prima chimica di una miriade di prodotti che usiamo nella nostra vita quotidiana.
Questo tipo di metodo di produzione dell'olefina si basa sulla deidrogenazione, cioè la rimozione degli idrogeni che porta alla creazione del legame C=C, il marchio delle olefine. Poiché l'energia necessaria per rompere i forti legami C-H è troppo alta, la reazione può essere realizzata solo con l'aiuto di altre molecole, chiamati catalizzatori. In precedenza, la deidrogenazione era possibile solo con catalizzatori a base di metalli costosi, come l'iridio.
Profilo energetico della reazione generato dal computer. Le simulazioni al computer possono prevedere i componenti intermedi della reazione chimica e quanta energia è necessaria per ottenerli. Credito:Istituto per le scienze di base
Lo studio ha ottenuto la produzione a basso costo di olefine grazie a un lavoro di squadra sinergico tra computer e chimici sperimentali. Simulando l'intero processo chimico, I chimici informatici dell'IBS hanno consigliato ai loro colleghi dell'Università della Pennsylvania di testare un catalizzatore economico a base di titanio.
"Siamo passati dall'iridio, che è così raro e costoso da essere etichettato come "l'elemento degli dei", a un metallo assolutamente a buon mercato, titanio; un elemento che tutti conosciamo in quanto ampiamente utilizzato come pigmento bianco per la ceramica, carta, e sbiancante per i denti, " spiega BAIK Mu-Hyun, l'autore principale di IBS. "La simulazione al computer prevede il movimento di ciascun elettrone e come le molecole interagiranno, quindi ci ha permesso di accorciare i tempi di sviluppo."
Riassumere, lo studio ha dimostrato che produrre olefine a basso costo, modo efficiente dal punto di vista energetico è possibile. La reazione può essere condotta a bassa temperatura e il catalizzatore al titanio può essere parzialmente riciclato, quindi può essere riutilizzato per deidrogenare più gas naturale. La prossima sfida del team di ricerca è rendere più efficiente il catalizzatore a base di titanio.