Percorsi di reazione proposti per il processo di accoppiamento incrociato Suzuki. Credito: Comunicazioni sulla natura
Un gruppo di scienziati dei materiali del Tokyo Institute of Technology ha dimostrato che un elettruro intermetallico a base di palladio, sì 3 Pd 2 , può migliorare l'efficienza delle reazioni di accoppiamento incrociato carbonio-carbonio. Le loro scoperte indicano la strada per un mondo più sostenibile attraverso la catalisi.
I ricercatori del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) hanno sviluppato un materiale di elettruro composto da ittrio e palladio (Y 3 Pd 2 ) come catalizzatore per le reazioni di accoppiamento incrociato Suzuki. Queste reazioni sono tra le più utilizzate per la formazione di legami carbonio-carbonio in chimica organica e medicinale.
sì 3 Pd 2 si prevedeva che fosse un elettruro efficace sulla base di calcoli teorici, spiega Tian-Nan Ye, un assistente professore presso il Centro di ricerca sui materiali di Tokyo Tech per la strategia degli elementi e primo autore dello studio pubblicato in Comunicazioni sulla natura . "In un elettruro, gli elettroni anionici sono intrappolati nei siti interstiziali e tipicamente ospitano un forte effetto di donazione di elettroni, " dice. "Questa caratteristica ci ha motivato ad applicare Y 3 Pd 2 come catalizzatore di reazione di accoppiamento Suzuki, poiché la barriera di reazione della fase determinante la velocità può essere soppressa attraverso il trasferimento di elettroni dall'elettruro ai substrati."
Nei test di laboratorio, l'attività catalitica di Y 3 Pd 2 ha dimostrato di essere dieci volte superiore a quello ottenuto da un catalizzatore di Pd puro, e l'energia di attivazione è stata ridotta del 35%.
Cosa rende Y 3 Pd 2 così efficiente e stabile è l'incorporazione riuscita di atomi di Pd attivi in un reticolo di elettruro intermetallico. "I siti attivi di Pd stabilizzato nel nostro reticolo cristallino risolvono i problemi di aggregazione e lisciviazione che si sono verificati comunemente in altri sistemi finora segnalati, " afferma Ye. "Questo rende il nostro catalizzatore estremamente robusto e stabile per un utilizzo a lungo termine, senza disattivazione".
La riutilizzabilità del catalizzatore (fino a 20 cicli) e la relativa facilità con cui gli atomi di Pd possono essere recuperati rappresenta un passo importante per raggiungere una maggiore sostenibilità nell'industria chimica.
L'idea di combinare ittrio e palladio è stata innescata dal lavoro di Jens Kehlet Nørskov, ora alla Stanford University, dice Sì. Nel 2009, Nørskov e collaboratori hanno pubblicato scoperte rivoluzionarie sui catalizzatori realizzati in lega di platino con metalli di transizione precoci, compreso l'ittrio. Da allora, molti gruppi hanno studiato nuove combinazioni di composti intermetallici (costituiti da un metallo delle terre rare e un metallo di transizione attivo), con l'obiettivo di sviluppare catalizzatori molto più efficienti per l'industria chimica.
Attraverso una serie di calcoli e studi sperimentali, Ye e la sua squadra hanno dimostrato che Y 3 Pd 2 ha un forte effetto di donazione di elettroni associato a una bassa funzione di lavoro e ad un'elevata densità di portatori, caratteristiche che consentono al catalizzatore di funzionare con un'energia di attivazione molto inferiore rispetto a quella di un catalizzatore al Pd puro.
Una sfida rimanente è l'area superficiale relativamente bassa di Y 3 Pd 2 . Per affrontare questo problema, il team ha utilizzato una tecnica di polverizzazione chiamata macinazione a palle e ha confrontato l'attività catalitica utilizzando diversi solventi come eptano ed etanolo. In tutti i campioni finora esaminati, il team ha scoperto che la velocità di reazione dell'accoppiamento Suzuki aumentava in proporzione all'aumento della superficie. Questi primi risultati sono "molto promettenti, " dice Sì, suggerendo che "le prestazioni catalitiche potrebbero essere migliorate attraverso un'ulteriore nanocristallizzazione".
