La natura è sorprendente. Ha sviluppato negli organismi viventi la capacità di regolare processi biochimici complessi con notevole efficienza. Gli enzimi, catalizzatori naturali, svolgono un ruolo fondamentale in questa regolazione, garantendo il soddisfacimento di vari bisogni fisiologici durante la vita di una cellula.
Inoltre, specifiche molecole organiche e ioni metallici si legano agli enzimi, modulandone l'attività catalitica verso l'alto o verso il basso. Questa interazione di attivatori e inibitori mantiene armoniosamente l'ordine in una cascata di processi chimici all'interno delle cellule.
La catalisi enzimatica ispira continuamente gli scienziati a imitare la natura per controllare vari processi in molti campi, dalla piccola scala di laboratorio alla grande produzione industriale di molti composti chimici. Tuttavia, nonostante l'elevata efficacia dei catalizzatori sintetici, l'alternanza tra accelerazione e inibizione non ne impedisce completamente il funzionamento o è limitata all'uso di sostanze chimiche aggiuntive.
Questa limitazione diventa particolarmente critica nella gestione di processi simultanei e sequenziali, dove reazioni parallele indesiderate possono persistere nonostante i tentativi di modulazione. Di conseguenza, sono in corso molti sforzi di ricerca su metodi per controllare trasformazioni complesse in modo efficiente e rispettoso dell'ambiente, riducendo l'uso di sostanze chimiche aggiuntive, con particolare attenzione all'alternanza dell'avvio e dell'arresto di reazioni selezionate.
È possibile? Un nuovo concetto descritto nella rivista ACS Catalysis fa luce su questa domanda.
Un nuovo approccio proposto dai ricercatori dell'Istituto di Chimica Fisica dell'Accademia Polacca delle Scienze (IPC PAS), guidati dal Prof. Volodymyr Sashuk, ha dimostrato un facile controllo sui processi catalitici utilizzando la luce, che potrebbe essere un'alternativa alla regolazione chimica tipica dei processi catalitici. enzimi. Sulla base del concetto proposto, sarebbe possibile rallentare o accelerare selettivamente le reazioni chimiche in modo completamente controllato senza degradare il catalizzatore utilizzato stesso. Come funziona?
"Noi dimostriamo che la catalisi può essere controllata nascondendo il catalizzatore all'interno di un monostrato organico che avvolge la superficie della maggior parte delle nanoparticelle inorganiche. Grazie a ciò, è possibile ottenere la completa soppressione dell'attività catalitica", afferma il prof. Volodymyr Sashuk.
I ricercatori si sono concentrati sull'attivazione/disattivazione delle reazioni ON/OFF utilizzando il materiale nanostrutturato, con la catalisi in grado di essere attivata o disattivata impiegando una lunghezza d'onda specifica, agendo in modo molto simile a un "interruttore della luce". Il materiale era basato su nanoparticelle d'oro (NP Au) di circa 3 nm di dimensione decorate sulla loro superficie con complessi organici di carbene N-eterociclico (NHC) a base di rutenio tramite un forte legame Au-S tra AuNP e ligandi tiolici.>
L'unicità del materiale proposto risiede nella sua composizione, in cui un tiolo voluminoso (PT) crea un ostacolo sterico, mentre un tiolo contenente azobenzene (SAT) supporta un complesso di rutenio Hoveyda-Grubbs, chiamato precatalizzatore, che avvia il processo catalitico mediante reagendo con il substrato.
Il nanosistema progettato è fotosensibile a una gamma specifica di luce, consentendo al precatalizzatore di cambiare posizione all'interno del monostrato organico e controllare l'accesso al substrato e la catalisi attraverso la stimolazione elettromagnetica.
In presenza di luce visibile o al buio, il precatalizzatore a base di rutenio viene esposto alla soluzione, avviando e sostenendo la reazione di metatesi. Al contrario, quando il sistema è sottoposto a irradiazione ultravioletta, l'azoligando subisce isomerizzazione, agendo come un "pulsante" per impedire l'attivazione del precatalizzatore.
Ciò è facilitato da una progettazione del materiale in cui gli anelli fenilici dei ligandi PT ostruiscono l'accesso al precatalizzatore, nascondendolo dalla soluzione e inibendo efficacemente il processo catalitico. La fattibilità di questo meccanismo è supportata da simulazioni teoriche condotte da scienziati dell'Università di Trieste, Italia.
La prof.ssa Paola Posocco spiega inoltre:"I nostri calcoli hanno dimostrato che la superficie delle nanoparticelle d'oro rivestita con porzioni feniliche è meglio protetta dalle molecole in entrata rispetto a quella contenente solo catene alifatiche. Chiaramente, questo si traduce nell'osservato arresto del catalizzatore."
Il metodo proposto consente la disattivazione del catalizzatore rapida ed altamente efficiente senza l'uso di sostanze chimiche aggiuntive e consente il controllo della velocità di reazione. I ricercatori ritengono che il loro approccio non convenzionale alla manipolazione fotoindotta della posizione del precatalizzatore nel materiale proposto aiuterà a fornire molti catalizzatori funzionali che troveranno applicazioni in vari campi, in particolare nel campo del miglioramento della selettività chimica. Allo stesso tempo, sottolineano il ruolo dell'interdisciplinarietà durante la ricerca.
Ulteriori informazioni: Mykola Kravets et al, Perseguire lo stato OFF completo nella catalisi fotocommutabile, ACS Catalysis (2023). DOI:10.1021/acscatal.3c04435
Fornito dall'Accademia Polacca delle Scienze
