Hóa học xanh: Chất xúc tác Au naturel bắt chước tự nhiên để phá vỡ liên kết cacbon-hyđrô bền bỉ

Anonim

Một nhà nghiên cứu tại Đại học Southern Methodist, Dallas, một nhà nghiên cứu tại Đại học Southern Methodist, Dallas, cho biết một chất xúc tác mới để phá vỡ liên kết phân tử cứng rắn giữa cacbon và hydro giữ lời hứa của một cách sạch hơn, dễ dàng hơn và rẻ hơn để lấy được các sản phẩm từ dầu mỏ.

"Một số khối xây dựng hữu ích nhất mà chúng ta có trên thế giới là các hydrocacbon đơn giản, phong phú như khí mê-tan, mà chúng ta chiết xuất từ ​​mặt đất. Chúng có thể được sử dụng làm nguyên liệu khởi đầu cho các sản phẩm hóa chất phức tạp như nhựa và dược phẩm". Bosch, Harold A. Jeskey Phó chủ tịch phụ tá giáo sư tại Khoa Hóa học tại SMU. "Nhưng bước đầu tiên của quá trình này là rất, rất khó khăn - phá vỡ liên kết cacbon-hydro đó. Mối liên kết càng mạnh thì càng khó oxy hóa."

Ngành công nghiệp hóa chất phải phá vỡ liên kết dai dẳng giữa các phân tử carbon và hydro để tổng hợp các sản phẩm oxy hóa như metanol và phenol. Nó được gọi là quá trình oxy hóa vì nó làm cho phân tử trải qua một phản ứng trong đó nó kết hợp với oxy, phá vỡ liên kết CH và hình thành các liên kết carbon-oxygen mới.

Công thức hóa học thông thường đòi hỏi các chất oxy hóa không hiệu quả và đắt tiền để phá vỡ liên kết CH. Quá trình đó là tốn kém, khó khăn và để lại các sản phẩm chất thải bẩn.

Các nhà hóa học tại SMU, phối hợp với Đại học Johns Hopkins, đã tìm ra một cách rẻ hơn, sạch hơn để phá vỡ liên kết CH cứng đầu.

Garcia-Bosch và nhà hóa học Maxime A. Siegler, giám đốc Cơ sở tinh thể học tia X tại Đại học Johns Hopkins, đã sử dụng chất xúc tác đồng kết hợp với hydrogen peroxide (nguồn oxy) có thể chuyển đổi liên kết CH thành liên kết CO.

"Đây là một phát hiện rất quan trọng bởi vì đây là lần đầu tiên nó được chứng minh rằng đồng có thể thực hiện loại oxy hóa bên ngoài thiên nhiên một cách hiệu quả", Garcia-Bosch nói. Đồng tiền tương đối rẻ so với các kim loại khác như palladium, vàng hoặc bạc, và hydrogen peroxide có sẵn, tương đối rẻ và rất sạch sẽ. Một trong những sản phẩm phụ của quá trình oxy hóa với hydrogen peroxide (H2O2) là nước (H2O), là sản phẩm chất thải sạch nhất mà bạn có thể có. "

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu tìm thấy phối tử đúng - một chất liệu dựa trên nitơ liên kết với đồng để quá trình oxy hóa có thể xảy ra gần với hiệu quả hoàn hảo.

Điều quan trọng là phải có phối tử đúng, lượng hydrogen peroxide phù hợp và kim loại thích hợp để oxy hóa các liên kết CH khó khăn này.

"Chúng tôi đã tìm thấy sự kết hợp đó", Garcia-Bosch nói.

Hóa học giống như một câu đố, nơi bạn xây dựng các phân tử mới ra khỏi các phân tử khác, ông nói.

Trong bất kỳ một phân tử có nhiều liên kết CH. Ví dụ như trong octan, chẳng hạn như octan, được tìm thấy trong xăng, có một chuỗi cacbon gồm tám nguyên tử cacbon với nhiều liên kết CH với các đặc tính hóa học khác nhau, Garcia-Bosch cho biết và từ quá trình oxy hóa của mỗi liên kết CH, một kết quả sản phẩm khác.

Các nhà hóa học thiết kế các chất xúc tác có khả năng phá vỡ và tạo thành các liên kết để xây dựng các cấu trúc hóa học phức tạp.

"Các chất xúc tác phải có khả năng lựa chọn giữa các liên kết CH khác nhau và tạo ra các liên kết cacbon-oxy, carbon-nitrogen hoặc cacbon-florua mới, ví dụ, " Garcia-Bosch nói. “Các quá trình sinh học sử dụng kim loại để làm điều này mọi lúc, ví dụ như trong cơ thể chúng ta khi gan của chúng ta xử lý dược phẩm mà chúng ta ăn bằng sắt, các chất khoáng như sắt, đồng, mangan, canxi và kali là rất quan trọng cho quá trình xúc tác tự nhiên. Ví dụ, cây sử dụng mangan (quang hợp) để biến đổi nước thành oxy mà chúng ta hít thở "

Garcia-Bosch và Siegler đã báo cáo những phát hiện của họ trong bài báo “Đồng hóa xúc tác oxy hóa Alkanes với H2O2 theo một chế độ giống Fenton, ” được công bố trên ấn bản quốc tế của tạp chí Angewandte Chemie.

Lần đầu tiên sử dụng đồng cho quá trình oxy hóa CH

Trong hóa học hữu cơ, không có nhiều ví dụ về đồng làm chất xúc tác cho quá trình oxy hóa carbon-hydro. Hầu hết các ví dụ đều dựa trên sắt.

"Đây là lần đầu tiên trong lĩnh vực của chúng tôi mà chúng tôi đã sử dụng đồng để làm điều này quá trình oxy hóa CH một cách rất hiệu quả, " Garcia-Bosch nói.

"Đồng là rất linh hoạt trong tự nhiên, " ông nói. "Với những thay đổi nhỏ trong môi trường đồng, bạn có thể làm hóa học rất đa dạng. Đó là lý do tại sao chúng tôi chọn nó."

Môi trường đó là phối tử, cung cấp các tính chất cho đồng để làm phát sinh phản ứng hóa học khi các thành phần hóa học được kết hợp trong một lọ tròn hoặc bình đáy.

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các chất xúc tác này - đồng dưới dạng muối trắng và phối tử như một loại dầu - có thể oxy hóa liên kết CH một cách rất hiệu quả kết hợp với hydrogen peroxide, một dạng ôxy giảm được sử dụng tự nhiên.

"Bạn có thể tìm thấy hydrogen peroxide ở bất cứ nơi nào, ngay cả ở nhà trong tủ thuốc của bạn. Vì vậy, nó là một chất oxy hóa nhẹ", Garcia-Bosch nói. "Nó cũng thuận tiện, bởi vì nó là một chất lỏng, chứ không phải, nói, một loại khí, có thể yêu cầu lưu trữ đặc biệt. Bạn trộn tất cả mọi thứ với nhau trong một dung môi và nó phản ứng. Nó giống như làm một món súp, một công thức, sau đó bạn phân tích kết quả xem những gì bạn nhận được. "

Sử dụng dụng cụ sắc ký khí, Garcia-Bosch và Siegler đã phân tích giải pháp cuối cùng để quan sát kết quả phản ứng. Điều đó cho phép họ định lượng lượng sản phẩm oxy hóa được hình thành trong phản ứng.

Bước tiếp theo — nhắm mục tiêu một liên kết CH cụ thể

"Chúng tôi đã thử nghiệm hệ thống xúc tác này cho các chất nền khác nhau và chúng tôi thấy rằng nó không phải là rất có chọn lọc", Garcia-Bosch nói. "Đó là một vấn đề. Vì vậy, nếu chúng ta có các phân tử có nhiều liên kết CH khác nhau, thì nó sẽ oxy hóa tất cả chúng một cách không chọn lọc. Trong phòng thí nghiệm của chúng tôi, chúng tôi muốn tìm các chất xúc tác chọn lọc. Đó là dự án tiếp theo."

menu
menu