Vast-waterige interfaces zijn alomtegenwoordig en essentieel in een breed scala van natuurlijke en door de mens gemaakte systemen en processen, van mineraalvorming, verwering van gesteenten en metaalcorrosie tot de ingewikkelde werking van biologische membranen en ionenkanalen.

In al deze systemen en processen spelen water en watergedragen ionen een beslissende rol en ondersteunen ze de grensvlakchemische reactiviteiten, maar vaak ontbreekt een fundamenteel begrip van dergelijke rollen en effecten. Water wordt beschouwd als een "groen" medium dat overvloedig beschikbaar, milieuvriendelijk en goedkoop is, dus het voordeel van het uitvoeren van chemische reacties in water boven organische oplosmiddelen - die om goede redenen de synthetische organische chemie hebben gedomineerd - lijkt vanzelfsprekend, zelfs vanuit een het standpunt van de leek.

Een van de belangrijkste vragen is echter "kunnen we met goede precisie en nauwkeurigheid voorspellen of water een chemische reactie ten opzichte van een vaste katalysator zal versterken of onderdrukken?" Blijkbaar is het antwoord afhankelijk van ons vermogen om de reactiviteitstrends op de dynamische en complexe interfaces tussen de katalytische vaste stof en de waterige omgeving diepgaand te begrijpen, wat op zijn beurt zal leiden tot de formulering en ontdekking van nieuwe concepten, principes en criteria dat kan worden benut om de chemische reactiviteiten naar het beoogde product of productleien te maximaliseren.

Ondanks de enorme uitdagingen die met deze missie gepaard gaan, heeft de heterogene katalysegemeenschap de afgelopen decennia grote vooruitgang geboekt, dankzij zowel de snelle ontwikkeling van ondersteunende toolboxen als de intensivering van interdisciplinaire kennisoverdracht.

Dus, waar staan ​​we na decennia van onderzoek naar heterogeen gekatalyseerde reacties in de waterige fase? Een onderzoeksteam onder leiding van prof. Hui Shi van de Yangzhou University, China, heeft zich gericht op vaste zuur-base-katalysatoren, die een subset van heterogene katalysatoren vertegenwoordigen met brede toepassingen in de chemische industrie. groepen afgeleid van water, en ionische soorten die daarin zijn opgelost, voor heterogene zuur-base katalyse aan het vast-waterige grensvlak.

Door hun aandacht verder te beperken tot alcoholdehydratatie, aldolcondensatie en suikerisomerisatie, die allemaal prototypische zuur-base-gekatalyseerde reacties zijn, beschreven deze auteurs een assortiment van door water veroorzaakte effecten, met behulp van zorgvuldig gekozen voorbeelden, en bespraken ze kritisch hun chemische oorsprong en katalytische gevolgen. De recensie is gepubliceerd in Chinese Journal of Catalysis .

Deze auteurs bespraken belangrijke vorderingen in het begrip op atomair en moleculair niveau van verschillende algemene werkingsmechanismen, waardoor water de reactiemechanismen en structuur-prestatierelaties beïnvloedt, voortbouwend op het nieuwe bewijs dat is verkregen voor de individuele set van zuur-base-katalyse aan de vast-waterige interface.

Het is vooral belangrijk om te erkennen dat de polaire oppervlaktefunctionaliteiten, bijvoorbeeld silanolen en kation-anionparen, en de polariteit en H-bindingskenmerken van de verschillende toestanden langs het reactiepad de meest dramatische impact hebben op de manifestatie van watereffecten. Door middel van een vergelijkende analyse concludeerden ze dat voor een analoge reeks reacties kan worden verwacht dat de rollen van water generaliseerbaar zijn vanuit een specifieke subset van dergelijke chemie. Ten slotte werden enkele opkomende concepten waarvan werd aangenomen dat ze de moeite waard waren om verder te onderzoeken, benadrukt, zoals "grensvlak-ionsterkte" (of "trapore-ionsterkte", wanneer de vaste fase microporiën bevat - poriën die kleiner zijn dan twee nanometer of zelfs minder dan 1 nm ).

Volgens prof. Hui Shi, "hoewel veel pogingen om reacties in water of waterige oplosmiddelen uit te voeren zijn gemotiveerd door de inherente goedheid van water, evenals de beschikbaarheid en kosten ervan, zou het gebruik van water als oplosmiddel of een component van oplosmiddelmengsels nooit mogen worden een slecht geïnformeerde keuze zonder een goed begrip van de chemische oorsprong van de promotionele of nadelige effecten."

Soms is zelfs een kleine druppel water voldoende om de katalytische reactie dramatisch te stimuleren, of de transformatie volledig te "doden". Het assimileren van de inzichten die in dit overzichtsartikel zijn samengevat, zal onderzoekers en praktijkmensen waarschijnlijk helpen een coherent beeld over watergerelateerde effecten te synthetiseren en een betere controle te krijgen over het praktische resultaat in een gewenste en gewenste richting. + Verder verkennen

Onderzoekers bevorderen het transformatieproces van biomassa