I ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), del Dipartimento di Chimica e Biologia Chimica di Harvard e dell’Università di Utrecht hanno riferito di un modo precedentemente sfuggente per migliorare la selettività delle reazioni catalitiche, aggiungendo un nuovo metodo per aumentare l'efficacia dei catalizzatori per una gamma potenzialmente ampia di applicazioni in vari settori tra cui quello farmaceutico, cosmetico e molto altro.
La ricerca è pubblicata su Nature Catalysis.
L'industria chimica fa affidamento sui catalizzatori per oltre il 90% dei suoi processi e quasi tutti questi catalizzatori sono costituiti da nanoparticelle disperse su un substrato. I ricercatori sospettano da tempo che la dimensione delle singole nanoparticelle e la distanza tra loro svolgano un ruolo importante nella velocità e nei prodotti prodotti nella reazione catalitica, ma poiché le nanoparticelle tendono a muoversi e ad agglomerarsi durante la catalisi, è stato difficile studiare esattamente come.
Negli ultimi dieci anni, Joanna Aizenberg, professoressa di scienza dei materiali e professoressa di chimica e biologia chimica Amy Smith Berylson, e il suo laboratorio hanno tratto ispirazione dalla natura per costruire materiali porosi altamente ordinati per un'ampia gamma di reazioni catalitiche.
Ispirandosi alla struttura delle ali delle farfalle, i ricercatori hanno progettato una nuova piattaforma catalitica che incorpora parzialmente le nanoparticelle nel substrato, intrappolandole in modo che non si muovano durante la catalisi, lasciando esposto il resto della superficie delle nanoparticelle, consentendo loro di eseguire le reazioni catalitiche in modo efficiente e senza agglomerazione.
I ricercatori hanno scoperto che la distanza tra le particelle ha avuto un enorme impatto sulla selettività della reazione.
"Molte reazioni chimiche rilevanti a livello industriale seguono una cascata in cui la sostanza chimica A viene trasformata nella sostanza chimica B che può poi essere trasformata nella sostanza chimica C e così via", ha affermato Kang Rui Garrick Lim, uno studente laureato dell'Aizenberg Lab e primo autore dello studio. .
"In alcuni processi catalitici, l'obiettivo è la sostanza chimica intermedia, la sostanza chimica B, mentre in altri è il prodotto finale, la sostanza chimica C. La selettività del catalizzatore si riferisce al fatto che favorisca la produzione della sostanza chimica B o della sostanza chimica C."
Un buon esempio di ciò è la produzione di alcol benzilico, una sostanza chimica utilizzata in qualsiasi cosa, dalla gommalacca, alle vernici e alla produzione di pelle, ai farmaci per via endovenosa, ai cosmetici e ai farmaci topici.
L'alcol benzilico è la sostanza chimica intermedia B, derivata dall'idrogenazione della benzaldeide (sostanza chimica A), prima che la reazione crei toluene (sostanza chimica C), un'altra sostanza chimica comunemente usata ma di valore inferiore. Per produrre in modo efficiente l'alcol benzilico è necessario sopprimere la formazione di toluene.
Attualmente, per produrre l'alcol benzilico più utile, la reazione di idrogenazione catalitica viene rallentata o non portata a termine, per garantire che la reazione si fermi in B e formi la minor quantità di toluene possibile.
"In genere, per produrre questi prodotti chimici intermedi, si rende il catalizzatore meno reattivo e la reazione complessiva più lenta, il che non è affatto produttivo", ha affermato Lim. "I catalizzatori hanno lo scopo di accelerare le cose, non di rallentarle."
I ricercatori hanno dimostrato la loro piattaforma nella formazione catalitica dell'alcol benzilico. Lim e il team hanno scoperto che quando le nanoparticelle metalliche catalitiche venivano posizionate più distanti sul substrato, la reazione era più selettiva nei confronti dell'alcol benzilico, la sostanza chimica intermedia.
Quando le nanoparticelle erano più vicine tra loro, la reazione era più selettiva nei confronti del toluene, il prodotto finale. Dato che la distanza tra le nanoparticelle può essere regolata sinteticamente utilizzando la piattaforma catalitica bioispirata, la ricerca suggerisce che la stessa piattaforma catalitica può essere facilmente adattata per una gamma di prodotti chimici intermedi o finali.
"La catalisi è fondamentale per la produzione di un'intera gamma di materiali estremamente importanti utilizzati nei prodotti farmaceutici, nei prodotti di consumo e nella produzione di molti prodotti che tutti usiamo nella vita di tutti i giorni", ha affermato Aizenberg.
"L'aggiunta di questo strumento di miglioramento della selettività all'arsenale del chimico è estremamente importante. Ciò consentirà una messa a punto più efficace dei processi catalitici, un uso più economico delle materie prime accompagnato dalla riduzione del consumo di energia e della produzione di rifiuti. Ci auguriamo che i chimici utilizzino la nostra piattaforma nell'ulteriore ottimizzazione dei processi catalitici nuovi ed esistenti."
Successivamente, il team utilizzerà la stessa piattaforma per comprendere in che modo la dimensione delle nanoparticelle influisce sulla reazione a distanze fisse tra le nanoparticelle.
L'Ufficio per lo sviluppo tecnologico di Harvard ha protetto la proprietà intellettuale del laboratorio del professor Aizenberg, che è la tecnologia alla base di questa ricerca.
Della ricerca hanno collaborato Selina K. Kaiser, Haichao Wu, Sadhya Garg, Marta Perxes Perich, Jessi E. S. van der Hoeven e Michael Aizenberg.
Ulteriori informazioni: Kang Rui Garrick Lim et al, La prossimità delle nanoparticelle controlla la selettività nell'idrogenazione della benzaldeide, Nature Catalysis (2024). DOI:10.1038/s41929-023-01104-1
Informazioni sul giornale: Catalisi della natura
Fornito dalla Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences
