Pogingen om heterogene katalysatoren te ontwikkelen die aantrekkelijk zijn voor de fijnchemische industrie, werden beperkt door teleurstellende resultaten. Hoewel sommige benaderingen veelbelovende katalytische activiteit hebben laten zien, "heterogenisering" op zich is niet genoeg. Aan te nemen door de industrie, heterogene katalysatoren moeten selectiviteit bevorderen die moeilijk of zelfs onmogelijk te verkrijgen is met bestaande katalytische systemen - de chemische eigenschappen van alle voorgestelde heterogene katalysatoren moeten verder gaan dan eenvoudigere scheiding en recycling.

De chemische flexibiliteit, afstembare poriegrootte en chemische en structurele stabiliteit van metaal-organische raamwerken (MOF's) maken ze ideaal voor het ontwerpen van actieve plaatsen op moleculair niveau. In staat om selectief moleculen te adsorberen, afhankelijk van hun structuur, ze kunnen de selectiviteit en reactieprestaties sturen. Onderzoekers hebben veel veelbelovende katalytische toepassingen beschreven die MOF's gebruiken als voorlopers voor nieuwe materialen en modelsystemen voor het begrijpen van heterogene katalyseprocessen. Het gebied van katalyse door MOF's staat nog in de kinderschoenen, Hoewel, aangezien de meeste voorbeelden proof of concept zijn en geen aantrekkelijke voordelen bieden voor bestaande katalysatoren.

In een Natuurcommunicatie paper getiteld "Metaal-organische raamwerken als kinetische modulatoren voor vertakte selectiviteit in hydroformylering, " onderzoekers van de Syncat Group van het Paul Scherrer Instituut, onder leiding van Marco Ranocchiari, en EPFL's laboratorium voor moleculaire simulatie, een rekengroep onder leiding van Berend Smit, gebruikte het voorbeeld van hydroformylering om aan te tonen dat adsorptie-eigenschappen van MOF's kunnen worden benut in katalyse om voorheen onmogelijke resultaten te verkrijgen. De werkwijzen kunnen worden gebruikt om het effect te voorspellen van dergelijke microporeuze co-katalysatoren bij het verhogen van de selectiviteit in elke homogene of heterogene katalytische reactie.

Hydroformylering, of oxosynthese, is een industrieel proces voor het verkrijgen van aldehyden uit olefinen. Huidige katalytische processen leveren zowel lineaire aldehyden op, die belangrijke tussenproducten zijn voor de wasmiddel- en polymeerindustrie, en vertakte, die worden beschouwd als een krachtig hulpmiddel voor de fijnchemische industrie vanwege hun mogelijke gebruik bij de productie van enantio-verrijkte producten, dat is, producten met een groter aandeel van een bepaalde enantiomeer van een chirale stof.

De lineaire isomeren worden vaak gevormd met rhodiumkatalysatoren. Vertakte aldehyden worden gevormd uit rhodiumkatalysatoren met tweetandige liganden met sturende groepen om de selectiviteit te verbeteren. Het produceren van de gewilde vertakte isomeren zonder deze sturende groepen is echter nog steeds een uitdaging en kan alleen worden bereikt door complexe Rh-katalysatoren. Het is aangetoond dat ze resulteren, bijvoorbeeld, in een selectiviteit voor 2-methylhexanale uit 1-hexeen tot 75% en tot 86% voor 2-methylbutanale uit 1-buteen.

De onderzoekers screenden eerst verschillende katalytische omstandigheden om de opbrengst van het vertakte product dat met homogene katalyse kon worden verkregen, te maximaliseren. Vervolgens toonden ze aan dat ze deze limiet konden overschrijden en een veel hogere vertakte selectiviteit konden bereiken door MOF's aan het reactiemengsel toe te voegen. Ze hebben ook verschillende MOF-topologieën getest om de rol van de MOF-omgeving bij een dergelijke verandering in selectiviteit te begrijpen.

De groep kon aantonen dat de microporiën van MOF's de door kobalt gekatalyseerde hydroformylering van olefinen naar kinetische regimes duwen die een hoge vertakte selectiviteit bevorderen, zonder het gebruik van regiegroepen. De toevoeging van MOF's maakte in deze gevallen een vertakte selectiviteit tot 90% mogelijk, een prestatie die niet kan worden bereikt met bestaande katalysatoren. Simulaties van Monte Carlo en dichtheidsfunctionaaltheorie in combinatie met kinetische modellen tonen aan dat de microporiën van MOF's met bepaalde topologieën de dichtheid van de olefinen verhogen, terwijl de adsorptie van het synthesegas gedeeltelijk wordt voorkomen - dit is wat leidt tot de hoge vertakte selectiviteit.

Hoewel het onderzoek zich richtte op aldehyden, de gepresenteerde methoden kunnen worden gebruikt om het effect van microporeuze co-katalysatoren te voorspellen bij het verhogen van de selectiviteit in elke homogene of heterogene katalytische reactie. Onderzoekers kunnen het microporeuze materiaal bepalen dat de beste kansen heeft om de selectiviteit te verhogen door eerst die te kiezen die de katalysator kunnen adsorberen terwijl ze inert zijn onder reactieomstandigheden, en door vervolgens simulaties te gebruiken om te bepalen hoe de microporeuze materialen de lokale concentratie van de selectiviteitsbepalende reactant(en) in de microporiën zouden kunnen veranderen.