Een internationaal team van chemici heeft een methode gevonden om de ontwikkeling van nieuwe katalysatoren te versnellen. Met behulp van NMR-spectroscopie samen met computationele chemie, ze kunnen evalueren of moleculen al dan niet reacties mogelijk maken.

Ongeveer 90 procent van alle chemische processen in de industrie is afhankelijk van katalysatoren – moleculen die chemische reacties mogelijk maken of versnellen, waardoor ze bij lagere temperaturen kunnen plaatsvinden. De analogie uit de natuur zijn enzymen die selectief en zeer efficiënt complexe biochemische transformaties in het organisme uitvoeren.

In industrie, katalysatoren zijn essentieel om energie te besparen, processen duurzamer en dus kostenefficiënter te maken. Er is duidelijk een enorme interesse in het ontdekken van dergelijke nieuwe reactiemiddelen om chemicaliën en materialen op een efficiëntere manier te produceren. Echter, katalysatorontwikkeling is tegenwoordig nog erg empirisch, sterk afhankelijk van vallen en opstaan, en soms geluk.

Katalysatoren in detail begrijpen

Om nieuwe katalysatoren te ontwikkelen en efficiënter te maken, het is belangrijk om de distributie en het bindingsvermogen van hun elektronen in detail te begrijpen. Deze elektronische structuur bepaalt het karakter van moleculen, bijvoorbeeld de kleur, de geur, maar ook de reactiviteit. Als de exacte elektronische structuur van een verbinding bekend is, het is ook mogelijk om voorspellingen te doen over de chemische eigenschappen ervan.

Dit is precies wat onderzoekers in de groep van prof. Copéret, in samenwerking met een internationaal team, hebben nu gerealiseerd:het gebruik van nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie - een van de meest gebruikelijke analytische methoden in de chemie - in combinatie met de modernste computationele chemie, ze kunnen nu inzicht krijgen in de elektronische structuur van katalysatoren en hun reactiviteit voorspellen. Deze nieuwe methodologie die ze zojuist hebben gepubliceerd in PNAS maakt het ontwerp en de ontdekking van katalysatoren eenvoudiger en minder afhankelijk van screening en serendipiteit.

Polymeriserend ethyleen

In hun studie hebben de onderzoekers onderzochten katalysatoren die in de industrie worden gebruikt om olefinen te polymeriseren. Polyolefinen zijn basischemicaliën zoals polypropyleen en polyethyleen. Hun toepassingen variëren van verpakkingen en visnetten tot high-end producten zoals kogelwerende vesten. Polyethyleen wordt geproduceerd door ethyleen te polymeriseren in aanwezigheid van zogenaamde organometaalkatalysatoren - moleculen die een metaal bevatten dat is gebonden aan ten minste één koolstofatoom.

In de basislessen scheikunde, studenten leren dat er enkele, dubbele en driedubbele bindingen in moleculen. En ze leren dat polyolefinen worden geproduceerd door katalysatoren die een enkelvoudige metaal-koolstofbinding bevatten. Echter, dit onderzoek laat zien dat de werkelijkheid niet altijd zo eenvoudig is:in de onderzochte klasse van katalysatoren, de koolstof-metaalbinding ligt tussen een enkele binding en een dubbele binding, afhankelijk van het metaal en de lading.

Dubbel bindingskarakter bepaalt de reactiviteit

De mate van deze dubbele binding is bepalend voor de katalytische activiteit. Het was precies dit dubbele bindingskarakter dat de onderzoekers nu uit NMR-spectroscopie rechtstreeks konden afleiden uit de chemische verschuiving van het koolstofatoom. Ze zouden kunnen aantonen dat hoe meer de binding tussen de metaal- en koolstofatomen zich gedraagt ​​als een dubbele binding, hoe gemakkelijker een katalysator polyolefinen produceert. Onderzoekers hadden dit feit tot nu toe niet begrepen, wat een contra-intuïtieve conclusie oplevert:hoe meer dubbele binding de metaal-koolstofbinding heeft, hoe korter en sterker het is - niettemin, hoe gemakkelijker het is om het te breken tijdens olefinepolymerisatie.

Sneller katalysatoren ontwerpen

Door NMR-spectroscopie te combineren met theoretische berekeningen, het is nu mogelijk te voorspellen of een katalysator een chemische reactie mogelijk maakt. De onderzoekers verwachten dat deze nieuwe methode scheikundigen een beter begrip zal geven van de elektronische structuur van katalysatoren en het ontwerp van katalysatoren in de toekomst zal versnellen.