Chất xúc tác hữu cơ cung cấp cho các nhà hóa học khả năng kiểm soát chính xác một bước quan trọng trong quá trình hoạt hóa hydrocarbon.
Bản trình bày của một nghệ sĩ về phương pháp xúc tác mới để phân mảnh không đối xứng các cyclopropan. Nguồn: YAP Co., Ltd.
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp mới để kích hoạt ankan bằng cách sử dụng axit Brønsted chiral giới hạn, tăng cường đáng kể hiệu quả và tính chọn lọc của các phản ứng hóa học. Bước đột phá này cho phép sắp xếp chính xác các nguyên tử trong sản phẩm, rất quan trọng để tạo ra các dạng phân tử cụ thể được sử dụng trong dược phẩm và vật liệu tiên tiến.
Đột phá trong Hóa học hữu cơ
Các nhà khoa học tại Đại học Hokkaido ở Nhật Bản đã đạt được bước đột phá đáng kể trong hóa học hữu cơ với phương pháp mới của họ để kích hoạt ankan - hợp chất chính trong ngành công nghiệp hóa chất. Được công bố trên Science , kỹ thuật mới này đơn giản hóa quá trình chuyển đổi các nguyên tố cơ bản này thành các hợp chất có giá trị, tăng cường sản xuất thuốc và vật liệu tiên tiến.
Ankan, một thành phần chính của nhiên liệu hóa thạch, đóng vai trò thiết yếu trong quá trình sản xuất nhiều loại hóa chất và vật liệu bao gồm nhựa, dung môi và chất bôi trơn. Tuy nhiên, liên kết cacbon-cacbon mạnh mẽ của chúng khiến chúng trở nên cực kỳ ổn định và trơ, đặt ra thách thức đáng kể cho các nhà hóa học muốn chuyển đổi chúng thành các hợp chất hữu ích hơn. Để khắc phục điều này, các nhà khoa học đã chuyển sự chú ý của họ sang cyclopropane, một loại ankan độc đáo có cấu trúc vòng khiến chúng phản ứng mạnh hơn các ankan khác.
Nhiều kỹ thuật hiện có để phá vỡ ankan mạch dài, được gọi là cracking, có xu hướng tạo ra hỗn hợp các phân tử, khiến việc cô lập các sản phẩm mong muốn trở nên khó khăn. Thách thức này phát sinh từ chất trung gian cation, một ion cacboni, có một nguyên tử cacbon liên kết với năm nhóm thay vì ba nhóm thường được mô tả cho một cacbocation trong sách giáo khoa hóa học. Điều này làm cho nó cực kỳ phản ứng và khó kiểm soát tính chọn lọc của nó.
Độ chính xác và hiệu quả trong xúc tác
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng một loại axit Brønsted chiral giới hạn cụ thể, được gọi là imidodiphosphorimidate (IDPi), có thể giải quyết vấn đề này. IDPi là axit rất mạnh có thể cung cấp proton để kích hoạt cyclopropane và tạo điều kiện cho quá trình phân mảnh chọn lọc của chúng trong môi trường vi mô của chúng. Khả năng cung cấp proton trong một vị trí hoạt động giới hạn như vậy cho phép kiểm soát tốt hơn cơ chế phản ứng, cải thiện hiệu quả và tính chọn lọc trong việc sản xuất các sản phẩm có giá trị.
Giáo sư Benjamin List, người đứng đầu nghiên cứu cùng với Phó giáo sư Nobuya Tsuji của Viện Thiết kế và Khám phá Phản ứng Hóa học tại Đại học Hokkaido, và có liên kết với cả Max-Planck-Institut für Kohlenforschung và Đại học Hokkaido, cho biết: “Bằng cách sử dụng một lớp axit cụ thể này, chúng tôi đã thiết lập một môi trường được kiểm soát cho phép cyclopropane phân tách thành anken trong khi vẫn đảm bảo sự sắp xếp chính xác các nguyên tử trong các phân tử thu được”. “Độ chính xác này, được gọi là tính chọn lọc lập thể, rất quan trọng trong các loại hương liệu và dược phẩm, trong đó dạng cụ thể của một phân tử có thể ảnh hưởng đáng kể đến chức năng của nó”.
Tối ưu hóa chất xúc tác và thông tin chi tiết về tính toán
Sự thành công của phương pháp này bắt nguồn từ khả năng ổn định các cấu trúc tạm thời độc đáo được hình thành trong quá trình phản ứng của chất xúc tác, hướng quá trình đến các sản phẩm mong muốn trong khi giảm thiểu các sản phẩm phụ không mong muốn. Để tối ưu hóa phương pháp tiếp cận của mình, các nhà nghiên cứu đã tinh chỉnh cấu trúc chất xúc tác của họ một cách có hệ thống, giúp cải thiện kết quả.
“Những sửa đổi mà chúng tôi thực hiện đối với một số bộ phận nhất định của chất xúc tác cho phép chúng tôi sản xuất ra lượng sản phẩm mong muốn và các dạng phân tử cụ thể cao hơn”, Phó Giáo sư Nobuya Tsuji, tác giả liên hệ khác của nghiên cứu này, giải thích. “Bằng cách sử dụng các mô phỏng tính toán tiên tiến, chúng tôi có thể hình dung cách axit tương tác với cyclopropane, điều khiển phản ứng theo hướng có kết quả mong muốn một cách hiệu quả”.
Ý nghĩa đối với ngành công nghiệp hóa chất
Các nhà nghiên cứu cũng đã thử nghiệm phương pháp của họ trên nhiều hợp chất khác nhau, chứng minh tính hiệu quả của nó trong việc chuyển đổi không chỉ một loại cyclopropane cụ thể mà còn cả các phân tử phức tạp hơn thành các sản phẩm có giá trị.
Cách tiếp cận sáng tạo này nâng cao hiệu quả của các phản ứng hóa học cũng như mở ra những hướng đi mới để tạo ra các hóa chất có giá trị từ các nguồn hydrocarbon thông thường. Khả năng kiểm soát chính xác sự sắp xếp các nguyên tử trong các sản phẩm cuối cùng có thể dẫn đến sự phát triển của các hóa chất mục tiêu cho nhiều ứng dụng khác nhau, từ dược phẩm đến vật liệu tiên tiến.
Tham khảo: “Sự phân mảnh bất đối xứng xúc tác của cyclopropanes” của Ravindra Krushnaji Raut, Satoshi Matsutani, Fuxing Shi, Shuta Kataoka, Margareta Poje, Benjamin Mitschke, Satoshi Maeda, Nobuya Tsuji và Benjamin List, ngày 10 tháng 10 năm 2024, Khoa học .
DOI: 10.1126/science.adp9061
Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Viện Thiết kế và Khám phá Phản ứng Hóa học (ICReDD), được thành lập bởi Sáng kiến Nghiên cứu Quốc tế Hàng đầu Thế giới (WPI), MEXT, Nhật Bản; Danh sách Nền tảng Nghiên cứu Hợp tác Chất xúc tác Chuyển đổi Kỹ thuật số Bền vững do Đại học Hokkaido cung cấp; Hiệp hội Thúc đẩy Khoa học Nhật Bản (JSPS), JSPS KAKENHI (21H01925, 22K14672); Cơ quan Khoa học và Công nghệ Nhật Bản (JST) SPRING (JPMJSP2119); Hiệp hội Max Planck; Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Quỹ Nghiên cứu Đức) theo Chiến lược Xuất sắc của Đức (EXC 2033-390677874-RESOLV); Hội đồng Nghiên cứu Châu Âu (ERC) [Chương trình nghiên cứu và đổi mới Horizon 2020 của Liên minh Châu Âu “Axit C-H để Tổng hợp Hữu cơ, CHAOS,” Thỏa thuận Tài trợ Nâng cao số 694228; và chương trình nghiên cứu và đổi mới Horizon 2022 của Liên minh Châu Âu “Phân tích hữu cơ giai đoạn đầu, ESO,” Thỏa thuận tài trợ nâng cao số 101055472]; và Fonds der Chemischen Industrie.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
