Использование света для управления каталитическим процессом

Прочитано: 53 раз(а)


Природа потрясающая. Он развил в живых организмах способность с поразительной эффективностью регулировать сложные биохимические процессы. Ферменты, естественные катализаторы, играют ключевую роль в этой регуляции, обеспечивая удовлетворение различных физиологических потребностей на протяжении всей жизни клетки.

Более того, специфические органические молекулы и ионы металлов связываются с ферментами, модулируя их каталитическую активность в сторону увеличения или уменьшения. Такое взаимодействие активаторов и ингибиторов гармонично поддерживает порядок в каскаде химических процессов внутри клеток.

Ферментативный катализ постоянно вдохновляет ученых имитировать природу для управления различными процессами во многих областях, от небольших лабораторных масштабов до крупного промышленного производства многих химических соединений. Однако, несмотря на высокую эффективность синтетических катализаторов, чередование ускорения и торможения не прекращает их работу полностью или ограничивается применением дополнительных химических веществ.

Это ограничение становится особенно важным при управлении одновременными и последовательными процессами, когда нежелательные параллельные реакции могут сохраняться, несмотря на попытки модуляции. Следовательно, ведется множество исследований по методам управления сложными превращениями эффективным и экологически безопасным способом, сокращающим использование дополнительных химикатов, с особым акцентом на чередование начала и остановки выбранных реакций.

Является ли это возможным? Новая концепция , описанная в журнале ACS Catasis, проливает ясный свет на этот вопрос.

Новый подход, предложенный исследователями Института физической химии Польской академии наук (IPC PAS) под руководством профессора Владимира Сашука, продемонстрировал легкий контроль над каталитическими процессами с помощью света, что может быть альтернативой химической регуляции, типичной для ферменты. Основываясь на предложенной концепции, можно было бы избирательно замедлять или ускорять химические реакции полностью контролируемым образом без ухудшения качества используемого катализатора. Как это работает?

«Мы демонстрируем, что катализом можно управлять, спрятав катализатор внутри органического монослоя, который окружает поверхность большинства неорганических наночастиц. Благодаря этому можно достичь полного подавления каталитической активности », — утверждает проф. Владимир Сашук.

Исследователи сосредоточились на переключении реакций включения/выключения с помощью наноструктурированного материала, причем катализ можно было включать и выключать с помощью определенной длины волны, действуя во многом как «выключатель света». В основе материала лежат наночастицы золота (НЧ Au) размером ~3 нм, декорированные на их поверхности органическими N-гетероциклическими карбеновыми (NHC) комплексами на основе рутения за счет прочной связи Au-S между AuNP и тиоловыми лигандами.

Уникальность предложенного материала заключается в его составе, в котором объемистый тиол (ПТ) создает стерические затруднения, а азобензолсодержащий тиол (САТ) поддерживает рутениевый комплекс Ховейды-Граббса, называемый предкатализатором, инициирующий каталитический процесс путем вступая в реакцию с субстратом.

Разработанная наносистема фоточувствительна к определенному диапазону света, что позволяет прекатализатору изменять свое положение внутри органического монослоя и контролировать доступ к субстрату и катализу посредством электромагнитной стимуляции.

В присутствии видимого света или в темноте предкатализатор на основе рутения подвергается воздействию раствора, инициируя и поддерживая реакцию метатезиса. И наоборот, когда система подвергается ультрафиолетовому облучению, азолиганд подвергается изомеризации, действуя как «кнопка», предотвращающая активацию предкатализатора.

Этому способствует конструкция материала, в которой фенильные кольца лигандов PT затрудняют доступ к прекатализатору, скрывая его от раствора и эффективно ингибируя каталитический процесс. Возможность реализации этого механизма подтверждается теоретическим моделированием, проведенным учеными из Университета Триеста, Италия.

Профессор Паола Посокко далее объясняет: «Наши расчеты показали, что поверхность наночастиц золота, покрытая фенильными фрагментами, лучше защищена от поступающих молекул, чем поверхность, содержащая только алифатические цепи. Очевидно, это приводит к наблюдаемому отключению катализатора».

Предложенный метод позволяет провести быструю и высокоэффективную дезактивацию катализатора без использования дополнительных реагентов и позволяет контролировать скорость реакции. Исследователи полагают, что их нетрадиционный подход к фотоиндуцированному манипулированию положением предкатализатора в предлагаемом материале поможет создать множество функциональных катализаторов, которые найдут применение в различных областях, особенно в сфере повышения химической селективности. В то же время они подчеркивают роль междисциплинарности в ходе исследования.

Использование света для управления каталитическим процессом



Новости партнеров