Un team internazionale di chimici ha trovato un metodo per accelerare lo sviluppo di nuovi catalizzatori. Utilizzando la spettroscopia NMR insieme alla chimica computazionale, possono valutare se le molecole possono attivare reazioni.

Circa il 90% di tutti i processi chimici nell'industria dipende da catalizzatori, molecole che consentono o accelerano le reazioni chimiche, permettendo così loro di avvenire a temperature più basse. L'analogia con la natura sono enzimi che svolgono complesse trasformazioni biochimiche nell'organismo in modo selettivo e molto efficiente.

Nell'industria, catalizzatori sono essenziali per il risparmio energetico, rendere i processi più sostenibili e quindi efficienti in termini di costi. C'è ovviamente un enorme interesse nello scoprire questi nuovi fattori di reazione per produrre sostanze chimiche e materiali in un modo più efficiente. Però, lo sviluppo del catalizzatore è ancora molto empirico al giorno d'oggi, basandosi pesantemente su tentativi ed errori, e a volte fortuna.

Capire i catalizzatori in dettaglio

Al fine di sviluppare nuovi catalizzatori e renderli più efficienti, è importante comprendere in dettaglio la distribuzione e la capacità di legame dei loro elettroni. Questa struttura elettronica determina il carattere delle molecole, per esempio il colore, l'odore, ma anche la reattività. Se si conosce l'esatta struttura elettronica di un composto, è anche possibile fare previsioni sulle sue proprietà chimiche.

Questo è esattamente ciò che i ricercatori del gruppo del Prof. Copéret, in collaborazione con un team internazionale, hanno ora realizzato:utilizzando la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) - uno dei metodi analitici più comuni in chimica - in combinazione con la chimica computazionale all'avanguardia, ora possono ottenere informazioni sulla struttura elettronica dei catalizzatori e prevederne la reattività. Questa nuova metodologia che hanno appena pubblicato in PNAS renderà la progettazione e la scoperta di catalizzatori più facili e meno dipendenti dallo screening e dalla serendipità.

Polimerizzazione dell'etilene

Nel loro studio, i ricercatori hanno studiato i catalizzatori utilizzati nell'industria per polimerizzare le olefine. Le poliolefine sono prodotti chimici di base come polipropilene e polietilene. Le loro applicazioni spaziano dagli imballaggi e reti da pesca a prodotti di fascia alta come i giubbotti antiproiettile. Il polietilene viene prodotto polimerizzando l'etilene in presenza dei cosiddetti catalizzatori organometallici, molecole che contengono un metallo legato ad almeno un atomo di carbonio.

Nelle lezioni di chimica di base, gli studenti imparano che ci sono singoli, doppi e tripli legami nelle molecole. E apprendono che le poliolefine sono prodotte da catalizzatori che contengono un singolo legame metallo-carbonio. Però, questo studio mostra che la realtà non è sempre così semplice:nella classe di catalizzatori studiata, il legame carbonio-metallo si trova tra un legame singolo e un doppio legame, a seconda del metallo e della carica.

Il carattere del doppio legame determina la reattività

Il grado di questo doppio legame è decisivo per l'attività catalitica. Era esattamente questo carattere di doppio legame che i ricercatori erano ora in grado di derivare dalla spettroscopia NMR direttamente dallo spostamento chimico dell'atomo di carbonio. Potrebbero dimostrare che più il legame tra il metallo e gli atomi di carbonio si comporta come un doppio legame, più facile un catalizzatore produce poliolefine. Finora i ricercatori non avevano compreso questo fatto che fornisce una conclusione controintuitiva:più il carattere di doppio legame ha il legame metallo-carbonio, più corto e forte è – tuttavia, più è facile romperlo durante la polimerizzazione dell'olefina.

Progettare catalizzatori più velocemente

Combinando la spettroscopia NMR con calcoli teorici, è ora possibile prevedere se un catalizzatore consentirà una reazione chimica. I ricercatori si aspettano che questo nuovo metodo fornirà ai chimici una comprensione più precisa della struttura elettronica dei catalizzatori e accelererà la progettazione dei catalizzatori in futuro.