为固态反应定制催化剂

北海道大学和化学反应设计与发现研究所(WPI-ICReDD)的化学家开发了首款专门为固态机械化学合成设计和优化的高性能催化剂。

该团队发现，通过将长聚合物分子连接到金属催化剂上，他们可以将催化剂捕获在液相中，从而在接近室温的情况下实现高效反应。这种方法发表在美国化学学会杂志上，如果在化学研究和工业中得到广泛应用，可以节省成本和能源。

化学合成反应通常在溶液中进行，溶解的分子可以自由混合和反应。然而，近年来，化学家开发了一种称为机械化学合成的工艺，其中将固态晶体和粉末一起研磨。这种方法是有利的，因为它减少了有害溶剂的使用，并且可以使反应在较低的温度下进行得更快，从而节省能源成本。它也可以用于难溶于可用溶剂的化合物之间的反应。

然而，固态反应发生在与基于溶液的反应截然不同的环境中。先前的研究发现，最初设计用于溶液中的钯配合物催化剂在固态机械化学反应中通常不能充分发挥作用，并且需要高反应温度。由于钯倾向于聚集成非活性状态，因此使用未改性的钯催化剂进行固态反应会导致效率有限。该团队选择了一个新的方向，设计一种催化剂来克服这种聚集的机械化学问题。

“我们开发了一种创新的解决方案，通过专门设计的膦配体将钯连接到一种叫做聚乙二醇的大聚合物分子上，”研究员HajimeIto解释说。

聚乙二醇分子在固体材料之间形成一个区域，其行为类似于分子水平的流体相，机械化学Suzuki-Miyaura交叉偶联反应在该区域进行得更加有效，并且不会出现钯聚集问题。除了显着提高产品收率外，反应在接近室温的温度下也能有效进行——之前性能最好的替代方案需要加热到120°C。类似的交叉偶联反应广泛用于研究和化学工业。

研究员KojiKubota说：“这是首次展示经过专门修改以在机械化学反应的独特环境中利用钯配合物催化剂潜力的系统。”

他们相信它可以适用于许多其他反应，也适用于使用周期表过渡金属中其他元素的催化剂。

更广泛地采用该工艺以及其他类似工艺，最终可能会显着节省商业化学工艺的成本和能源消耗，同时允许更环保地大规模生产许多有用的化学品。

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