Nell'industria chimica, la scissione selettiva e l'ossidazione dei legami carbonio-idrogeno (C–H), chiamata "funzionalizzazione ossidativa C–H", è un passaggio essenziale nella produzione di molti solventi, polimeri e tensioattivi, nonché composti intermedi per prodotti agrochimici e farmaceutici. Idealmente, si vorrebbe usare l'ossigeno (O₂ ) come unico ossidante in questo processo per evitare l'uso di sostanze più costose ed ecocompatibili, come il perossido di idrogeno (H₂ O₂ ), cloro (Cl₂ ) o acido nitrico (HNO₃ ).

Tuttavia, utilizzando O₂ in quanto l'ossidante comporta alcuni problemi irrisolti. Sebbene siano stati compiuti alcuni progressi nel campo dei catalizzatori recuperabili e riutilizzabili, la maggior parte dei sistemi eterogenei richiede temperature di reazione elevate, O₂ elevati pressioni o l'uso di additivi tossici. A sua volta, questo paralizza la portata delle potenziali applicazioni, la scalabilità e l'efficienza di questi sistemi catalitici.

In questo contesto, un team di scienziati della Tokyo Tech, guidato dal Professore Associato Keigo Kamata, ha recentemente trovato un promettente catalizzatore per la funzionalizzazione ossidativa C–H. Come spiegato nel loro documento pubblicato in Materiali applicativi e interfacce ACS , hanno dedotto che specie isolate di manganese (Mn) fissate in una matrice cristallina potrebbero costituire un catalizzatore eterogeneo ad alte prestazioni anche in condizioni di reazione blande, sulla base delle conoscenze precedenti.

Di conseguenza, hanno studiato il catalizzatore tipo Murdochite Mg₆ MnO₈ , una struttura di salgemma di ossido di magnesio (MgO) con un ottavo del Mg ²⁺ ioni sostituiti con Mn ⁴⁺ ioni e un altro ottavo sostituiti con posti vacanti, risultando in un cristallo con ioni Mn e posti vacanti che occupano strati alternati in modo ordinato. Utilizzando un metodo sol-gel conveniente aiutato dall'acido malico, il team ha preparato Mg₆ MnO₈ nanoparticelle con un'area superficiale molto elevata. Il Dr. Kamata elabora:"La superficie specifica del nostro Mg₆ MnO₈ il catalizzatore era 104 m ² /g, circa sette volte superiore a quello di Mg₆ MnO₈ sintetizzato utilizzando i metodi riportati in precedenza."

I ricercatori hanno anche dimostrato, attraverso numerosi esperimenti, che il loro Mg₆ MnO₈ le nanoparticelle potrebbero catalizzare efficacemente l'ossidazione selettiva di C–H di vari composti alchilarenici anche in condizioni di reazione blande, vale a dire 40°C e pressione atmosferica. Anche la resa dei prodotti finali è risultata superiore a quella ottenuta utilizzando i catalizzatori esistenti a base di Mn. Per finire, il Mg₆ MnO₈ le nanoparticelle potrebbero essere facilmente recuperate tramite filtrazione e quindi riutilizzate senza alcuna apparente perdita di attività catalitica dopo più cicli.

Infine, il team ha cercato di capire perché il catalizzatore proposto ha funzionato così bene attraverso una serie di studi cinetici e meccanicistici. Hanno concluso che l'isolamento dei siti redox (specie Mn, in questo caso) in una matrice di base cristallina (MgO) era una caratteristica particolarmente importante per ottenere la funzionalizzazione ossidativa C–H usando O₂ in condizioni miti.

Soddisfatto dei risultati e delle loro scoperte, il Dr. Kamata ipotizza:"Il nostro approccio costituisce una strategia promettente per lo sviluppo di sistemi di ossidazione eterogenea altamente efficienti con ampi ambiti di substrato". + Esplora ulteriormente

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