Nella fresatura a sfere, i prodotti chimici e una sfera d'acciaio vengono posti in barattoli d'acciaio che vengono poi agitati energicamente. Credito:Università di Hokkaido
I ricercatori hanno dimostrato che la forza meccanica può avviare reazioni chimiche, rendendoli più economici, più ampiamente applicabile, e più rispettosi dell'ambiente rispetto ai metodi convenzionali.
Le reazioni chimiche sono indotte più convenzionalmente riscaldando le miscele di reazione. Negli ultimi dieci anni, c'è stata un'ampia ricerca sui "catalizzatori fotoredox" che possono essere attivati dalla luce visibile e consentono reazioni chimiche altamente specifiche ed efficienti. Però, queste reazioni richiedono spesso una grande quantità di solventi organici nocivi, rendendoli applicabili solo ai reagenti solubili.
È noto che i materiali piezoelettrici come il titanato di bario generano potenziali elettrici quando viene applicata una pressione meccanica, ecco perché vengono utilizzati nei microfoni e negli accendini. Nell'attuale studio pubblicato su Scienza , il team di ricerca guidato da Hajime Ito e Koji Kubota dell'Institute for Chemical Reaction Design and Discovery (WPI-ICReDD) dell'Università di Hokkaido ha dimostrato che questo potenziale elettrico può essere utilizzato anche per attivare reazioni chimiche. "Nel nostro sistema, usiamo la forza meccanica fornita da un mulino a palle per attivare un materiale piezoelettrico per reazioni redox, eliminando l'uso di solventi organici, " dice Koji Kubota. La chiamano reazione meccanoredox al contrario di una reazione fotoredox.
Miscele di reazione prima e dopo la macinazione in un mulino a palle. Reazioni di arilazione meccanoredox si sono verificate con sali di aril diazonio e furano in presenza di un materiale piezoelettrico (BaTiO3). (Kubota K. et al. Science, 19 dicembre 2019) Credito:Kubota K. et al. Scienza , 19 dicembre 2019
Il team ha dimostrato che i potenziali elettrici derivati dal materiale piezoelettrico (BaTiO3) attivano un composto chiamato sali di aril diazonio generando radicali altamente reattivi. I radicali subiscono reazioni di formazione di legami come reazioni di arilazione e borilazione, entrambe importanti nella chimica di sintesi, con alta efficienza. Il team ha anche dimostrato che la reazione di borilazione potrebbe verificarsi colpendo la miscela in un sacchetto di plastica con un martello.
"Questo è il primo esempio di reazioni di arilazione e borilazione che utilizzano piezoelettricità indotta meccanicamente, " afferma Koji Kubota. "Il nostro sistema senza solventi che utilizza un mulino a palle ci ha permesso di eliminare i solventi organici, rendendo le reazioni più facili da gestire, più rispettoso dell'ambiente, e applicabili anche ai reagenti che non possono essere disciolti nel solvente di reazione." Potrebbero anche riciclare il titanato di bario e ottenere rese migliori rispetto alle reazioni fotoredox, aumentando ulteriormente l'attrattiva di questo approccio.
"Stiamo ora esplorando la sintonizzabilità del potenziale elettrico generato meccanicamente. Insieme alle previsioni computazionali, ci proponiamo di estendere l'applicabilità di questa tecnica, " afferma Hajime Ito. "Il nostro obiettivo è quello di integrare o almeno in parte sostituire gli approcci fotoredox esistenti e fornire un'alternativa ecologica ed economica da utilizzare nella sintesi organica industriale".
