Ottenere catalizzatori per suonare la tua melodia con l'aiuto dell'acqua e delle specie presenti nell'acqua. Credito:giornale cinese di catalisi
Le interfacce solido-acquosa sono onnipresenti ed essenziali in una vasta gamma di sistemi e processi naturali e artificiali, dalla formazione di minerali, all'erosione delle rocce e alla corrosione dei metalli, all'intricato funzionamento delle membrane biologiche e dei canali ionici.
In tutti questi sistemi e processi, l'acqua e gli ioni presenti nell'acqua svolgono un ruolo decisivo e sono alla base delle reattività chimiche interfacciali, ma spesso manca una comprensione fondamentale di tali ruoli ed effetti. L'acqua è considerata un mezzo "verde" ampiamente disponibile, rispettoso dell'ambiente e poco costoso, quindi il vantaggio di eseguire reazioni chimiche nell'acqua rispetto ai solventi organici - che hanno dominato la chimica organica sintetica per buone ragioni - sembra evidente, anche da un punto di vista punto di vista da profano.
Una delle domande chiave, tuttavia, è "possiamo prevedere con buona precisione e accuratezza se l'acqua migliorerà o sopprimerà una reazione chimica su un catalizzatore solido?" Apparentemente, la risposta si basa sulla nostra capacità di comprendere, in modo molto approfondito, le tendenze di reattività alle interfacce dinamiche e complesse tra il solido catalitico e l'ambiente acquoso, che a sua volta porterà alla formulazione e alla scoperta di nuovi concetti, principi e criteri che può essere sfruttato per massimizzare le reattività chimiche verso il prodotto o le liste di prodotti mirati.
Nonostante le sfide scoraggianti associate a questa missione, la comunità eterogenea della catalisi ha fatto grandi passi avanti negli ultimi decenni, grazie sia al rapido sviluppo di strumenti abilitanti che all'intensificazione del trasferimento interdisciplinare delle conoscenze.
Allora, a che punto siamo dopo decenni di ricerca sulle reazioni catalizzate in modo eterogeneo nella fase acquosa? Concentrandosi sui catalizzatori acido-base solidi, che rappresentano un sottoinsieme di catalizzatori eterogenei con ampie applicazioni nell'industria chimica, un gruppo di ricerca guidato dal Prof. Hui Shi dell'Università di Yangzhou, in Cina, ha compilato una valutazione completa dei ruoli delle molecole d'acqua, frazioni derivate dall'acqua e specie ioniche che sono disciolte in essa, per catalisi acido-base eterogenea all'interfaccia solido-acquosa.
Limitando ulteriormente la loro attenzione alla disidratazione dell'alcol, alla condensazione aldolica e all'isomerizzazione dello zucchero, tutte reazioni prototipiche catalizzate da acido-base, questi autori hanno descritto un assortimento di effetti generati dall'acqua, utilizzando esempi scelti con cura e hanno discusso criticamente le loro origini chimiche e catalitiche conseguenze. La recensione è stata pubblicata su Chinese Journal of Catalysis .
Questi autori hanno coperto i principali progressi nella comprensione atomistica e a livello molecolare di diversi modi d'azione generali, mediante i quali l'acqua influenza i meccanismi di reazione e le relazioni struttura-prestazioni, attingendo alle nuove prove acquisite per l'insieme individuale di catalisi acido-base al interfaccia solido-acquosa.
È particolarmente importante riconoscere che le funzionalità della superficie polare, ad esempio i silanoli e le coppie catione-anione, e le caratteristiche di polarità e legame H dei diversi stati lungo il percorso di reazione producono l'impatto più drammatico sulla manifestazione degli effetti dell'acqua. A titolo di analisi comparativa, hanno concluso che per un'analoga serie di reazioni, si può prevedere che i ruoli dell'acqua siano generalizzabili da un sottoinsieme specifico di tali sostanze chimiche. Infine, sono stati evidenziati alcuni concetti emergenti che si riteneva valesse la pena esplorare ulteriormente, come "forza ionica interfacciale" (o "forza ionica trapore", quando la fase solida contiene micropori, pori più piccoli di due nanometri o anche inferiori a 1 nm ).
Secondo il Prof. Hui Shi, "sebbene molti sforzi per eseguire reazioni in acqua o solventi acquosi siano stati motivati dalla benignità intrinseca dell'acqua, nonché dalla sua disponibilità e costo, l'uso dell'acqua come solvente o componente di miscele di solventi non dovrebbe mai essere una scelta mal informata senza una solida comprensione delle origini chimiche dei suoi effetti promozionali o negativi".
Infatti, a volte anche una minuscola goccia d'acqua è sufficiente per potenziare drammaticamente la reazione catalitica, o "uccidere" completamente la trasformazione. L'assimilazione delle intuizioni riassunte in questo articolo di revisione aiuterà probabilmente i ricercatori e i professionisti a sintetizzare un quadro coerente sugli effetti legati all'acqua e ad ottenere un migliore controllo sul risultato pratico nella direzione desiderata e preferita. + Esplora ulteriormente
