Bij het synthetiseren van nieuwe verbindingen is het voordelig om reactanten te hebben die algemeen beschikbaar zijn en een eenvoudige methode die een hoge opbrengst aan producten produceert met weinig afval (ongewenste bijproducten). In dit opzicht kan de alkylering van alcoholen door middel van een methode die bekend staat als "lenen van waterstof" (BH) alcoholen omzetten in een breed scala aan producten, met water als het enige bijproduct.

De reactie is gecentreerd rond een katalysator en begint met een katalysator die de waterstofatomen uit de alcohol verwijdert om deze te oxideren tot een carbonylverbinding. Dit zeer reactieve tussenproduct ondergaat vervolgens een condensatiereactie met verschillende organische verbindingen om water te produceren en ontvangt de waterstof terug van de katalysator om het eindproduct te vormen.

Dus door waterstofatomen te "lenen", kunnen de alkylgroepen van alcohol gemakkelijk worden overgebracht naar een nieuw organisch molecuul dat verschillende substituenten bevat. Er zijn pogingen gedaan om deze reactie te laten werken met goedkope, biocompatibele mangaan (Mn) katalysatoren. De momenteel beschikbare Mn-katalysatoren vereisen echter de toevoeging van sterke basen, die meer afval genereren en het regeneratieproces van de katalysator bemoeilijken.

Nu, in een nieuwe studie gepubliceerd in ACS-katalyse , hebben onderzoekers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) een herbruikbare Mn-katalysator gesynthetiseerd die alkyleringsreacties van alcoholen efficiënt kan uitvoeren zonder dat er een base nodig is. Het onderzoeksteam, geleid door assistent-professor Yusuke Kita, had eerder geëxperimenteerd met edelmetaal-rutheniumkatalysatoren om de alkylering van alcoholen uit te voeren via de BH-methode.

Ze ontdekten dat de toevoeging van magnesiumoxide (MgO) aan de katalysator het hydrogeneringsvermogen ervan verbeterde. Ze vroegen zich af of MgO hetzelfde effect zou hebben op op Mn gebaseerde katalysatoren, en ze zetten Mn-oxide (MnO_x ) en MgO-nanodeeltjes op een aluminiumoxide (Al₂ O₃ ) ondersteuning.

Tot hun grote vreugde faciliteerde de nieuwe katalysator met succes de alkyleringsreactie voor een breed scala aan ketonen met alcoholen, met opbrengsten van wel 50-92%. Verder was het, in tegenstelling tot conventionele Mn-katalysatoren, in staat tot het alkyleren van ketonbevattende substraten, zoals cyaangroepen, die anders zouden reageren met water in aanwezigheid van een base.

Het belangrijkste is dat, aangezien de reactie geen ander bijproduct dan water produceerde, de katalysator gemakkelijk kon worden geregenereerd met een eenvoudige filtratiemethode. "De huidige katalysator vereiste geen toevoeging van homogene sterke basen die typisch onmisbaar zijn voor deze reacties en vereisen een hoog energieverbruik voor scheiding, recycling en afvalverwerking", zegt Dr. Kita.

Het team schreef de waargenomen hoge katalytische activiteit toe aan het nauwe contact tussen de MnO_x en de MgO-nanodeeltjes. Met behulp van Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie, een methode die chemische verbindingen kan identificeren door de hoeveelheid licht die ze absorberen te meten, identificeerden de onderzoekers voor het eerst een Mn-hydride (Mn-H) soort op het oppervlak van de katalysator, wat suggereert dat MgO vergemakkelijkt de efficiënte overdracht van waterstof.

"De katalyse is te wijten aan MgO-deeltjes die naast de MnO_x soorten in de Al₂ O₃ ondersteuning en de elektronendonatie van MgO naar MnO_x verbetert de reactiviteit van Mn−H-soorten", legt Dr. Kita uit.

Als een kosteneffectieve, gemakkelijk herbruikbare katalysator, Mn-MgO/Al₂ O₃ zou daarom de acceptatie van alkyleringsreacties via BH kunnen versnellen en helpen bij het produceren van diverse organische verbindingen op een milieuvriendelijke manier. + Verder verkennen

Nieuwe synergetische single-atom katalysatorbenadering doorbreekt activiteitsbeperking van voorgangers