Новые катализаторы с питанием от света

При нанесении на пластиковые трубки катализаторы могут воздействовать на протекающие через них химические вещества, помогая синтезировать лекарства и другие соединения.

Химики Массачусетского технологического института разработали новый тип фотоокислительно-восстановительного катализатора, который может упростить включение реакций, управляемых светом, в непрерывные производственные процессы. Полимерные катализаторы можно использовать для покрытия трубок и проведения химических превращений реагентов по мере их прохождения по трубке, как показано на этом цифровом изображении. Кредит: Ричард Лю

Новый тип фотоокислительно-восстановительного катализатора, разработанный химиками Массачусетского технологического института , может упростить включение реакций, управляемых светом, в непрерывные производственные процессы. Ключевым моментом является их нерастворимость, что позволяет использовать их снова и снова.

Реакции, управляемые светом

Химические реакции, управляемые светом, представляют собой мощный инструмент для химиков, разрабатывающих новые методы производства фармацевтических препаратов и других важных молекул. Для использования этой световой энергии требуются фотоокислительно-восстановительные катализаторы, которые могут поглощать свет и передавать энергию в химическую реакцию.

Теперь химики Массачусетского технологического института разработали новый тип фотоокислительно-восстановительного катализатора, который может упростить внедрение реакций, управляемых светом, в производственные процессы. В отличие от большинства существующих фотоокислительно-восстановительных катализаторов, новый класс материалов нерастворим, поэтому их можно использовать снова и снова. Такие катализаторы можно было бы использовать для покрытия трубок и проведения химических превращений реагентов по мере их прохождения по трубке.

Катализ

Катализатор – это вещество, ускоряющее химическую реакцию. Катализ – это процесс ускорения реакции с помощью катализатора. Фотоокислительно-восстановительные катализаторы работают, поглощая фотоны, а затем используя эту световую энергию для запуска химической реакции.

«Возможность вторичного использования катализатора является одной из самых больших проблем, которую необходимо решить с точки зрения возможности использования фотоокислительно-восстановительного катализа в производстве. Мы надеемся, что, имея возможность проводить химию потока с иммобилизованным катализатором, мы сможем предоставить новый способ проведения фотоокислительно-восстановительного катализа в больших масштабах», — говорит Ричард Лю, постдоктор Массачусетского технологического института и соавтор нового исследования.

Новые катализаторы, которые можно настроить для выполнения множества различных типов реакций, также могут быть включены в другие материалы, включая текстиль или частицы.

Тимоти Свагер, профессор химии Джона Д. Макартура в Массачусетском технологическом институте, является старшим автором статьи, которая была опубликована 27 мая 2022 года в журнале Nature Communications . Шэн Го, научный сотрудник Массачусетского технологического института, и Шао-Сюн Леннон Луо, аспирант Массачусетского технологического института, также являются авторами статьи.

Гибридные материалы

Фоторедокс-катализаторы работают, поглощая фотоны, а затем используя эту световую энергию для запуска химической реакции, аналогично тому, как хлорофилл в растительных клетках поглощает энергию солнца и использует ее для построения молекул сахара.

Химики разработали два основных класса фотоокислительно-восстановительных катализаторов, которые известны как гомогенные и гетерогенные катализаторы.

Гомогенные катализаторы обычно состоят из органических красителей или светопоглощающих комплексов металлов. Эти катализаторы легко настроить для проведения конкретной реакции, но недостатком является то, что они растворяются в растворе, в котором протекает реакция. Это означает, что их нельзя легко удалить и использовать снова.

С другой стороны, гетерогенные катализаторы представляют собой твердые минералы или кристаллические материалы, которые образуют слои или трехмерные структуры. Эти материалы не растворяются, поэтому их можно использовать неоднократно. Однако эти катализаторы сложнее настроить для достижения желаемой реакции.

Чтобы объединить преимущества обоих этих типов катализаторов, исследователи решили внедрить красители, из которых состоят гомогенные катализаторы, в твердый полимер. Для этого приложения исследователи адаптировали пластиковый полимер с крошечными порами, который они ранее разработали для разделения газов. В этом исследовании исследователи продемонстрировали, что они могут включить около дюжины различных гомогенных катализаторов в свой новый гибридный материал, но они считают, что он может работать гораздо больше.

«Эти гибридные катализаторы обладают возможностью повторного использования и долговечностью гетерогенных катализаторов, а также точной настройкой гомогенных катализаторов», — говорит Лю. «Вы можете включить краситель, не теряя его химической активности, поэтому вы можете более или менее выбрать из десятков тысяч уже известных фотоокислительно-восстановительных реакций и получить нерастворимый эквивалент нужного вам катализатора».

Исследователи обнаружили, что включение катализаторов в полимеры также помогло им стать более эффективными.

Одна из причин заключается в том, что молекулы реагентов могут удерживаться в порах полимера, готовые к реакции. Кроме того, световая энергия может легко перемещаться по полимеру, чтобы найти ожидающие реагенты.

«Новые полимеры связывают молекулы из раствора и эффективно концентрируют их для реакции», — говорит Свагер. «Кроме того, возбужденные состояния могут быстро мигрировать по всему полимеру. Комбинированная подвижность возбужденного состояния и распределение реагентов в полимере обеспечивают более быстрые и эффективные реакции, чем это возможно в чисто растворных процессах».

Более высокая эффективность

Исследователи также показали, что они могут настраивать физические свойства полимерной основы, в том числе ее толщину и пористость, в зависимости от области применения, для которой они хотят использовать катализатор.

В качестве одного из примеров они показали, что могут производить фторированные полимеры, которые будут прилипать к фторированным трубкам, которые часто используются для производства с непрерывным потоком. Во время этого типа производства химические реагенты проходят через серию трубок, в то время как добавляются новые ингредиенты или выполняются другие этапы, такие как очистка или разделение.

• В настоящее время сложно включить фотоокислительно-восстановительные реакции в процессы с непрерывным потоком, поскольку катализаторы быстро израсходованы, поэтому их необходимо постоянно добавлять в раствор. Включение новых катализаторов, разработанных Массачусетским технологическим институтом, в трубки, используемые для такого производства, может позволить проводить фотоокислительно-восстановительные реакции в непрерывном потоке. Трубка прозрачная, что позволяет свету светодиода достигать катализаторов и активировать их.
• «Идея состоит в том, чтобы катализатор покрывал трубку, чтобы вы могли протекать через трубку, пока катализатор остается на месте. Таким образом, вы никогда не оставите катализатор в продукте, а также сможете добиться гораздо более высокой эффективности», — говорит Лю.
• Катализаторы также можно использовать для покрытия магнитных шариков, чтобы их было легче вытаскивать из раствора после завершения реакции, или для покрытия реакционных флаконов или текстиля. В настоящее время исследователи работают над включением в свои полимеры более широкого спектра катализаторов и над созданием полимеров, чтобы оптимизировать их для различных возможных применений.

Источник

Метки: Катализаторы