Aromaticiteit, een concept dat gewoonlijk wordt gebruikt om de opvallende stabiliteit en ongebruikelijke reactiviteit van bepaalde op koolstof gebaseerde moleculen te verklaren, zou kunnen inspireren tot het ontwerp van nieuwe katalysatoren met nieuwe toepassingen, KAUST-onderzoekers hebben aangetoond.

Chemici ontdekten voor het eerst het afwijkende gedrag van aromatische moleculen in de negentiende eeuw toen ze benzeen bestudeerden. De onverwachte stabiliteit van deze cyclische structuur met zes koolstoffen komt neer op zijn elektronen.

In het algemeen, bindingselektronen houden een specifiek paar atomen bij elkaar in een discrete chemische binding. Maar in benzeen, zes elektronen vormen een gedelokaliseerde ring over het molecuul. Een groot aantal andere moleculen delen deze functie. "Veel klassieke voorbeelden van organische en organometaalreactiviteit kunnen op deze basis worden verklaard, " zegt Théo Gonçalves, een onderzoeker in het laboratorium van Kuo-Wei Huang. "Maar hoewel het concept bekend is, er zijn beperkte praktische chemische toepassingen van aromaticiteit, " hij voegt toe.

Een gebied van praktische toepassing ligt op het gebied van katalyse. De Huang-groep heeft onlangs een ongebruikelijke familie van katalysatoren ontwikkeld, PN3(P)-tangcomplexen genoemd. Bij de meeste katalysatoren het centrale metaalion is waar alle bindingen worden verbroken en gemaakt. In PN3(P)-complexen, de tangliganden rond het metaal kunnen ook actieve deelnemers zijn aan het katalytische proces. "Ons PN3(P)-ligandplatform maakt katalytische toepassingen mogelijk die verder gaan dan conventionele systemen waar metaal het centrum van reactiviteit is, ' zegt Huang.

Terwijl het team het katalytische gedrag van tangcomplexen bestudeerde, ze toonden aan dat een zesledige ringstructuur zich tijdelijk vormt tijdens katalyse en dat aromaticiteit in het spel kwam. "We hebben sterk bewijs geleverd dat tijdens de katalytische cyclus, onze katalyse profiteert van de extra energie afkomstig van de aromatisering van de ring, "zegt Gonçalves. "Door de mate van aromatisering af te stemmen, wordt de reactie-output voorzichtig afgesteld."

De PN3(P)-tangfamilie heeft hoge katalytische prestaties voor reacties zoals de selectieve waterstofproductie uit mierenzuur voor het verminderen van kooldioxide (CO ₂ ) en voor de vorming van esters en imines. Maar de echte waarde van het onderzoek zou kunnen zijn van de nieuwe inzichten die het genereert in de rol van aromaticiteit in katalyse, en de nieuwe horizonten die zich daardoor openen. "Voorafgaand aan ons werk, het belang van de aromaticiteit werd op dit gebied niet benadrukt, " Zegt Gonçalves. "Een fundamenteel begrip van aromatisering en dearomatisering zal het herontwerp van katalysatoren mogelijk maken voor betere prestaties en misschien een nieuwe reactiviteit."

"Onze ontdekking gaat niet over het identificeren van een nieuwe of betere katalysator voor een bekende reactie, maar over het openen van een nieuw veld voor onbeperkte nieuwe kansen in de toekomst, ’ voegt Huang toe.