Rintracciare la reattività dei catalizzatori

I catalizzatori sono utilizzati in circa il 90% di tutti i processi chimici dell'industria. Si tratta di composti che accelerano le reazioni chimiche, permettono che avvengano a temperature più basse o le rendono possibili in primo luogo. L'analogo in natura è rappresentato dagli enzimi, che svolgono complesse trasformazioni biochimiche nell'organismo in modo altamente efficiente e selettivo.

Nell'industria, i catalizzatori sono essenziali per risparmiare energia e rendere i processi più sostenibili ed efficienti. C'è quindi un grande interesse per questi mediatori di reazione per la produzione di sostanze chimiche e materiali. Tuttavia, lo sviluppo dei catalizzatori è ancora fortemente dipendente dallo screening, cioè dalla sperimentazione di diverse molecole, e quindi dal caso.

Capire i catalizzatori in dettaglio

Per sviluppare nuovi catalizzatori o renderli più efficienti, è importante comprendere la distribuzione e il comportamento di legame dei loro elettroni fin nei minimi dettagli. Questa struttura elettronica determina il carattere di ogni molecola e catalizzatore, come il colore, l'odore o la reattività. Se si conosce l'esatta struttura elettronica, è anche possibile fare previsioni sulle proprietà chimiche di un composto.

Questo è esattamente ciò che i ricercatori del gruppo del professor Christophe Copéret dell'ETH hanno ottenuto insieme a un team internazionale: utilizzando la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) - un metodo analitico ampiamente utilizzato in chimica - e metodi computerizzati all'avanguardia, sono riusciti a determinare con precisione la struttura elettronica dei catalizzatori e a prevederne il comportamento. Grazie al nuovo metodo, che è attualmente in fase di pagina esternaPNAS il percorso verso nuovi catalizzatori diventa più semplice e meno dipendente dalla selezione e dal caso.

Dall'etilene al polietilene

Nel loro studio, i ricercatori hanno analizzato i catalizzatori utilizzati nell'industria per polimerizzare le olefine. Le poliolefine sono prodotti chimici di base come il polipropilene e il polietilene. Le loro applicazioni vanno dagli imballaggi alle reti da pesca, fino ai prodotti high-tech come i giubbotti antiproiettile. Il polietilene viene prodotto polimerizzando l'etilene in presenza dei cosiddetti catalizzatori organometallici. Questi contengono un metallo legato ad almeno un atomo di carbonio.

Nelle lezioni di chimica di base, gli studenti imparano che nelle molecole esistono legami singoli, doppi e tripli. E imparano che le poliolefine sono prodotte da catalizzatori che contengono un legame singolo metallo-carbonio. Tuttavia, i ricercatori del gruppo di Copéret hanno scoperto che la realtà non è sempre così integra: Nei catalizzatori studiati, il legame carbonio-metallo è tra un singolo e un doppio legame, a seconda del metallo e della carica.

Il carattere del doppio legame determina la reattività

Il grado di questo doppio legame è decisivo per l'attività catalitica. I ricercatori sono ora riusciti a dedurre con precisione il carattere del doppio legame direttamente dallo spostamento chimico dell'atomo di carbonio utilizzando la spettroscopia NMR. Hanno dimostrato che più il legame tra l'atomo di metallo e l'atomo di carbonio si comporta come un doppio legame, meglio un catalizzatore produce poliolefine. Questo aspetto era stato precedentemente ignorato dai ricercatori e porta a una scoperta controintuitiva: più il legame carbonio-metallo è simile a un doppio legame, più è corto e forte, ma più facilmente si rompe durante la polimerizzazione delle olefine.

Sviluppare catalizzatori più velocemente

Combinando la spettroscopia NMR con i calcoli teorici, è ora possibile prevedere se un catalizzatore consentirà una reazione chimica. I ricercatori si aspettano che questo nuovo metodo acceleri in futuro il lungo processo di progettazione e allo stesso tempo fornisca ai chimici una comprensione più precisa della struttura elettronica dei catalizzatori.