При нанесенні на пластикові трубки каталізатори можуть взаємодіяти з хімічними речовинами, що протікають через них, дозволяючи синтезувати фармацевтичні препарати та інші хімічні сполуки.
Хімічні реакції, які проходять під дією світла, є потужним інструментом для хіміків, які розробляють нові методи виробництва фармацевтичних препаратів та інших хімічних сполук. Для використання світлової енергії потрібні фотоокислительно-відновні каталізатори, які можуть поглинати світло і передавати енергію хімічній реакції.
Хіміки з Массачусетського технологічного інституту (MIT) розробили новий тип фотоокисно-відновного каталізатора, який може полегшити впровадження світлових реакцій у виробничі процеси. На відміну від більшості існуючих фотоокисно-відновних каталізаторів, новий клас матеріалів нерозчинний, тому його можна використовувати знову і знову. Такі каталізатори можна використовувати для покриття трубок і здійснення хімічних перетворень реагентів, коли вони протікають через трубку.
«Можливість переробити каталізатор — це одна з найбільших проблем, яку необхідно подолати з точки зору можливості використовувати фотоокислительно-відновний каталіз у виробництві. Ми сподіваємося, що, будучи в змозі виконувати протічні синтези за допомогою іммобілізованого каталізатора, ми зможемо запропонувати новий спосіб проведення фотоокисно-відновного каталізу в більших масштабах», — говорить Річард Лю, постдок MIT і спільний автор нового дослідження.
Гібридні матеріали
Фотоокислювально-відновні каталізатори працюють, поглинаючи фотони, а потім використовують цю енергію для живлення хімічної реакції, аналогічно тому, як хлорофіл в клітинах рослин поглинає енергію сонця і використовує її для побудови молекул глюкози.
Хіміки розробили два основних класи фотокаталізаторів, які відомі як гомогенні та гетерогенні каталізатори. Гомогенні каталізатори зазвичай складаються з органічних барвників або світлопоглинаючих комплексів металів. Ці каталізатори легко налаштувати для виконання певної реакції, але недоліком є те, що вони розчиняються в розчині, де відбувається реакція. Це означає, що їх не можна легко видалити та використати знову.
Гетерогенні каталізатори, з іншого боку, є твердими мінералами або кристалічними матеріалами, які утворюють шари або тривимірні структури. Ці матеріали не розчиняються, тому їх можна використовувати не один раз. Однак ці каталізатори важче налаштувати для досягнення бажаної мети.
Щоб поєднати переваги обох цих типів каталізаторів, дослідники вирішили вбудувати барвники, які складають гомогенні каталізатори, у твердий полімер. Для цього застосування дослідники адаптували пластиковий полімер з крихітними порами, який вони раніше розробили для розділення газу. У цьому дослідженні дослідники продемонстрували, що вони можуть включити близько десятка різних гомогенних каталізаторів у свій новий гібридний матеріал.
«Ці гібридні каталізатори мають можливість повторної переробки та довговічність гетерогенних каталізаторів, а також точну перебудову гомогенних каталізаторів», – каже Лю.
Дослідники виявили, що включення каталізаторів у полімери допомогло їм стати більш ефективними. Однією з причин є те, що молекули реагенту можуть утримуватися в порах полімеру, готові до реакції. Крім того, світлова енергія може легко переміщуватися вздовж полімеру, щоб знайти реагенти для взаємодії.
«Нові полімери зв’язують молекули з розчину та ефективно попередньо концентрують їх для реакції», – говорить Свагер. Збуджені стани можуть швидко мігрувати по всьому полімеру. Об’єднана рухливість збудженого стану та розподіл реагентів у полімері забезпечують швидші та ефективніші реакції, ніж це можливо в процесах чистого розчину.
Вища ефективність
Дослідники показали, що можуть налаштувати фізичні властивості полімерної основи, включаючи її товщину та пористість, залежно від того, для якого застосування вони хочуть використовувати каталізатор.
В даний час важко включити фотоокисно-відновні реакції в процеси безперервного синтезу, оскільки каталізатори швидко витрачаються, тому їх необхідно постійно додавати до розчину. Включення нових каталізаторів, розроблених MIT, у трубки, які використовуються для цього виду виробництва, може дозволити проводити фотоокисно-відновні реакції під час безперервного потоку. Трубка прозора, завдяки чому світло від світлодіода досягає каталізаторів і активує їх.
Каталізатори можна використовувати для покриття магнітних кульок, що полегшує їх витягування з розчину після завершення реакції, або для покриття реакційних флаконів або текстилю. Зараз дослідники працюють над включенням більшої кількості каталізаторів у свої полімери та над розробкою полімерів, щоб оптимізувати їх для різних можливих застосувань.
Першоджерело: https://www.eurekalert.org/news-releases/954216
Reference: Liu, R.Y., Guo, S., Luo, SX.L. et al. Solution-processable microporous polymer platform for heterogenization of diverse photoredox catalysts. Nat Commun 13, 2775 (2022).
DOI: 10.1038/s41467-022-29811-6
Інформацію підготував Назарій Данилюк (провідний фахівець центру, аспірант 1 року навчання спеціальності 102 Хімія)