Mentre il mondo si allontana dal gas verso l’elettricità come fonte di energia più ecologica, l’elenco delle cose da fare va oltre le automobili. Anche la vasta rete di produzione globale che produce di tutto, dalle batterie ai fertilizzanti, deve cambiare marcia.
Uno studio condotto dai chimici dell'Università di Chicago ha scoperto un modo per utilizzare l'elettricità per potenziare un tipo di reazione chimica spesso utilizzata nella sintesi di nuovi candidati per i farmaci.
Pubblicato il 2 gennaio in Nature Catalysis , la ricerca rappresenta un progresso nel campo dell'elettrochimica e mostra un percorso verso la progettazione e il controllo delle reazioni, rendendole più sostenibili.
"Quello che vogliamo fare è capire cosa sta succedendo a livello fondamentale nell'interfaccia dell'elettrodo e usarlo per prevedere e progettare reazioni chimiche più efficienti", ha affermato Anna Wuttig, professoressa assistente della famiglia Neubauer dell'Università di Chicago e autrice senior dell'articolo. "Questo è un passo verso quell'obiettivo finale."
In alcune reazioni chimiche, l'elettricità può aumentare la produzione e, poiché è possibile ottenere l'elettricità necessaria da fonti rinnovabili, potrebbe contribuire a rendere più verde l'industria chimica mondiale.
Ma l’elettrochimica, come è noto il campo, è particolarmente complessa. Ci sono molte cose che gli scienziati non sanno sulle interazioni molecolari, soprattutto perché è necessario inserire un solido conduttivo (un elettrodo) nella miscela per fornire l'elettricità, il che significa che le molecole interagiscono con quell'elettrodo così come tra loro. Per uno scienziato che cerca di districare i ruoli svolti da ciascuna molecola e in quale ordine, ciò rende un processo già complicato ancora più complicato.
Wuttig vuole però trasformare questo in un vantaggio. "E se pensassimo che l'elettrochimica ci fornisce una leva di progettazione unica che non è possibile in nessun altro sistema?" ha detto.
In questo caso, lei e il suo team si sono concentrati sulla superficie dell'elettrodo che fornisce l'elettricità alla reazione.
"Ci sono indizi che la superficie stessa sia catalitica, che svolga un ruolo", ha detto Wuttig, "ma non sappiamo come controllare sistematicamente queste interazioni a livello molecolare."
Hanno armeggiato con un tipo di reazione comunemente utilizzata nella produzione di sostanze chimiche per la medicina, per formare un legame tra due atomi di carbonio.
Secondo le previsioni teoriche, quando questa reazione viene eseguita utilizzando l'elettricità, la resa della reazione dovrebbe essere del 100%, ovvero tutte le molecole che entrano vengono trasformate in un'unica nuova sostanza. Ma quando si esegue effettivamente la reazione in laboratorio, la resa è inferiore.
Il team ha pensato che la presenza dell'elettrodo tentasse di allontanare alcune molecole dal luogo in cui erano necessarie durante la reazione. Hanno scoperto che l'aggiunta di un ingrediente chiave potrebbe aiutare:una sostanza chimica nota come acido di Lewis aggiunta alla soluzione liquida reindirizzava quelle molecole.
"Si ottiene una reazione quasi pulita", ha detto Wuttig.
Inoltre, il team è stato in grado di utilizzare speciali tecniche di imaging per osservare lo svolgersi delle reazioni a livello molecolare. "Si può vedere che la presenza del modulatore ha un profondo effetto sulla struttura interfacciale", ha detto. "Questo ci permette di visualizzare e comprendere cosa sta succedendo, invece di considerarlo come una scatola nera."
Questo è un passo cruciale, ha detto Wuttig, perché mostra un percorso verso la possibilità non solo di utilizzare l'elettrodo in chimica, ma anche di prevederne e controllarne gli effetti.
Un altro vantaggio è che l'elettrodo può essere riutilizzato per più reazioni. (Nella maggior parte delle reazioni, il catalizzatore viene disciolto nel liquido e viene drenato durante il processo di purificazione per ottenere il prodotto finale).
"Questo è un passo verso la sintesi sostenibile", ha affermato. "Per il futuro, il mio gruppo è molto entusiasta di utilizzare questo tipo di concetti e strategie per delineare e affrontare altre sfide sintetiche."
Ulteriori informazioni: Qiu-Cheng Chen et al, Regolazione interfacciale di superfici Ag elettrocatalitiche per accoppiamento elettrofilo basato su frammenti, Nature Catalysis (2024). DOI:10.1038/s41929-023-01073-5
Informazioni sul giornale: Catalisi della natura
Fornito dall'Università di Chicago
