Gli scienziati dell'Istituto Zelinsky di chimica organica dell'Accademia delle scienze russa di Mosca hanno ripreso una reazione chimica organica con un microscopio elettronico e hanno registrato la trasformazione in tempo reale. Il team del laboratorio del Prof. Ananikov ha applicato approcci combinati su nanoscala e su scala molecolare allo studio della trasformazione chimica in una reazione catalitica di cross-coupling. Lo studio è pubblicato su Comunicazioni sulla natura .

La microscopia elettronica è un metodo unico per studiare la struttura della materia, fornendo immagini di piccoli oggetti con ingrandimenti fino al livello dei singoli atomi sondando i campioni con un fascio di elettroni. La caratteristica chiave di questo metodo è fornire un'immagine dell'oggetto che è semplice da analizzare. Però, tale vantaggio è stato finora utilizzato per studiare esclusivamente oggetti solidi. Ciò è dovuto alle dure condizioni all'interno di un microscopio elettronico, in particolare, la pressione estremamente bassa nella camera del campione, che può raggiungere un miliardesimo di quella della pressione atmosferica. Così, solo i campioni solidi non volatili possono sopravvivere. Ma la maggior parte dei processi chimici avviene in un mezzo liquido e la sfida per la microscopia elettronica è il monitoraggio in situ delle trasformazioni chimiche. L'interesse nell'uso della microscopia elettronica per osservare le reazioni chimiche nei mezzi liquidi ha portato all'emergere di metodi per preservare i campioni nel loro stato nativo, anche in alto vuoto.

I ricercatori dell'Istituto Zelinsky hanno utilizzato capsule speciali per proteggere i campioni dal vuoto spinto. I processi chimici all'interno di queste capsule sono stati osservati attraverso una sottile finestra trasparente al fascio di elettroni. "Questo è uno strumento molto potente che i chimici stanno appena iniziando a usare. La gamma di reazioni che possono essere studiate in questo modo è ancora ristretta, ma questo è ciò che ispira gli scienziati nella comunità della catalisi, " ha detto il dottor Kashin, uno dei coautori di questo studio.

L'oggetto dello studio era la reazione di cross-coupling della formazione del legame carbonio-zolfo. I prodotti desiderati sono stati sintetizzati da tiolati di nichel, che rappresentano i reagenti nanostrutturati composti da atomi di nichel e porzioni di organosulfur. La reazione è stata condotta in un mezzo liquido, utilizzando il complesso solubile di palladio come catalizzatore. Di conseguenza, gli scienziati hanno dimostrato le possibilità di nuovi tipi di reagenti con micro e nanostrutture ordinate nella sintesi organica. La microscopia elettronica ha permesso di tracciare l'evoluzione delle particelle di reagente durante una reazione chimica.

"Abbiamo osservato con successo la reazione catalitica organica in un mezzo liquido all'interno del microscopio elettronico, che apre nuove opportunità per il vasto campo della chimica. La combinazione di microscopia elettronica con osservazioni di spettrometria di massa, misurazioni cinetiche mediante gascromatografia, e gli studi di spettroscopia a raggi X che utilizzano la sorgente di radiazione di sincrotrone ci hanno permesso di stabilire il meccanismo di reazione e di determinare l'effetto delle proprietà dei reagenti a diversi livelli di organizzazione strutturale sul loro comportamento in condizioni di reazione, " ha commentato il dottor Kashin.

Un ampio studio della reazione dal punto di vista meccanicistico è stato integrato con una dimostrazione della possibilità della sua applicazione pratica per la sintesi di sostanze organiche contenenti zolfo. La reazione si è rivelata applicabile per un'ampia gamma di substrati, con i prodotti ottenuti con rese elevate fino al 99%.

"I risultati possono servire come nuovo stimolo per la ricerca avanzata all'intersezione tra chimica organica e nanoscienza. Indubbiamente, l'osservazione di complesse trasformazioni chimiche mediante microscopia elettronica in soluzione diventerà una parte imprescindibile nello studio dei processi dinamici in chimica organica e catalisi, considerando che le registrazioni video delle reazioni chimiche diventeranno presto uno strumento di routine nell'arsenale dei chimici, " ha affermato il Prof. Ananikov. "L'applicazione generalizzata di questo approccio aiuterà a studiare in dettaglio le caratteristiche di ogni singola reazione, che faciliterà enormemente il miglioramento delle tecnologie attualmente disponibili per la produzione di medicinali, prodotti agrochimici, materiali funzionali e altre sostanze praticamente utili."