Le reazioni chimiche guidate dalla luce offrono un potente strumento per i chimici che stanno progettando nuovi modi per produrre farmaci e altri composti utili. Sfruttare questa energia luminosa richiede catalizzatori fotoredox, che possono assorbire la luce e trasferire l'energia a una reazione chimica.

I chimici del MIT hanno ora progettato un nuovo tipo di catalizzatore fotoredox che potrebbe rendere più facile incorporare reazioni guidate dalla luce nei processi di produzione. A differenza della maggior parte dei catalizzatori fotoredox esistenti, la nuova classe di materiali è insolubile, quindi può essere utilizzata più e più volte. Tali catalizzatori potrebbero essere utilizzati per rivestire i tubi ed eseguire trasformazioni chimiche sui reagenti mentre scorrono attraverso il tubo.

"Essere in grado di riciclare il catalizzatore è una delle maggiori sfide da superare in termini di utilizzo della catalisi fotoredox nella produzione. Ci auguriamo che, essendo in grado di eseguire la chimica del flusso con un catalizzatore immobilizzato, possiamo fornire un nuovo modo di fare catalisi fotoredox su scala più ampia", afferma Richard Liu, un postdoc del MIT e autore principale congiunto del nuovo studio.

I nuovi catalizzatori, che possono essere regolati per eseguire molti diversi tipi di reazioni, potrebbero anche essere incorporati in altri materiali, inclusi tessuti o particelle.

Timothy Swager, John D. MacArthur Professor of Chemistry al MIT, è l'autore senior dell'articolo, che appare oggi in Nature Communications . Sheng Guo, uno scienziato ricercatore del MIT, e Shao-Xiong Lennon Luo, uno studente laureato del MIT, sono anche autori dell'articolo.

Materiali ibridi

I catalizzatori fotoredox funzionano assorbendo i fotoni e quindi utilizzando quell'energia luminosa per alimentare una reazione chimica, analogamente al modo in cui la clorofilla nelle cellule vegetali assorbe l'energia dal sole e la usa per costruire molecole di zucchero.

I chimici hanno sviluppato due classi principali di catalizzatori fotoredox, noti come catalizzatori omogenei ed eterogenei. I catalizzatori omogenei di solito sono costituiti da coloranti organici o complessi metallici che assorbono la luce. Questi catalizzatori sono facili da regolare per eseguire una reazione specifica, ma lo svantaggio è che si dissolvono nella soluzione in cui avviene la reazione. Ciò significa che non possono essere facilmente rimossi e riutilizzati.

I catalizzatori eterogenei, invece, sono minerali solidi o materiali cristallini che formano fogli o strutture 3D. Questi materiali non si dissolvono, quindi possono essere utilizzati più di una volta. Tuttavia, questi catalizzatori sono più difficili da regolare per ottenere la reazione desiderata.

Per combinare i vantaggi di entrambi questi tipi di catalizzatori, i ricercatori hanno deciso di incorporare i coloranti che compongono catalizzatori omogenei in un polimero solido. Per questa applicazione, i ricercatori hanno adattato un polimero simile alla plastica con pori minuscoli che avevano precedentemente sviluppato per eseguire separazioni di gas. In questo studio, i ricercatori hanno dimostrato di poter incorporare una dozzina di diversi catalizzatori omogenei nel loro nuovo materiale ibrido, ma ritengono che potrebbe funzionare di più, molti di più.

"Questi catalizzatori ibridi hanno la riciclabilità e la durata di catalizzatori eterogenei, ma anche la precisa sintonizzabilità di catalizzatori omogenei", afferma Liu. "Puoi incorporare il colorante senza perdere la sua attività chimica, quindi puoi più o meno scegliere tra le decine di migliaia di reazioni fotoredox già note e ottenere un equivalente insolubile del catalizzatore di cui hai bisogno."

I ricercatori hanno scoperto che incorporare i catalizzatori nei polimeri li ha anche aiutati a diventare più efficienti. Uno dei motivi è che le molecole di reagente possono essere trattenute nei pori del polimero, pronte a reagire. Inoltre, l'energia luminosa può viaggiare facilmente lungo il polimero per trovare i reagenti in attesa.

"I nuovi polimeri legano le molecole dalla soluzione e le preconcentrano efficacemente per la reazione", afferma Swager. "Inoltre, gli stati eccitati possono migrare rapidamente attraverso il polimero. La mobilità combinata dello stato eccitato e la ripartizione dei reagenti nel polimero rendono reazioni più rapide ed efficienti rispetto a quelle possibili nei processi in soluzione pura".

Maggiore efficienza

I ricercatori hanno anche dimostrato di poter ottimizzare le proprietà fisiche della struttura portante del polimero, inclusi lo spessore e la porosità, in base all'applicazione per cui desiderano utilizzare il catalizzatore.

Ad esempio, hanno dimostrato di poter realizzare polimeri fluorurati che si attaccherebbero ai tubi fluorurati, spesso utilizzati per la produzione a flusso continuo. Durante questo tipo di produzione, i reagenti chimici fluiscono attraverso una serie di tubi mentre vengono aggiunti nuovi ingredienti o vengono eseguite altre fasi come la purificazione o la separazione.

Attualmente, è difficile incorporare le reazioni fotoredox nei processi a flusso continuo perché i catalizzatori si esauriscono rapidamente, quindi devono essere aggiunti continuamente alla soluzione. L'incorporazione dei nuovi catalizzatori progettati dal MIT nei tubi utilizzati per questo tipo di produzione potrebbe consentire l'esecuzione di reazioni fotoredox durante il flusso continuo. Il tubo è trasparente, consentendo alla luce di un LED di raggiungere i catalizzatori e attivarli.

"L'idea è di avere il catalizzatore che riveste un tubo, in modo da poter far fluire la tua reazione attraverso il tubo mentre il catalizzatore rimane in posizione. In questo modo, non si ottiene mai che il catalizzatore finisca nel prodotto e si può anche aumentare molto efficienza", afferma Liu.

I catalizzatori potrebbero anche essere usati per rivestire sfere magnetiche, rendendole più facili da estrarre da una soluzione una volta terminata la reazione, o per rivestire fiale di reazione o tessuti. I ricercatori stanno ora lavorando per incorporare una più ampia varietà di catalizzatori nei loro polimeri e per progettare i polimeri per ottimizzarli per diverse possibili applicazioni. + Esplora ulteriormente

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