Um novo esquema de catálise permite reações químicas que antes eram virtualmente impossíveis. Um método desenvolvido na Universidade de Bonn também é ecologicamente correto e não requer metais raros e preciosos.

Os pesquisadores registraram o curso exato da catálise em uma espécie de filme de alta velocidade. Eles fizeram isso usando lasers especiais que podem tornar visíveis os processos que duram apenas frações de um bilionésimo de segundo. Os resultados permitem otimizar ainda mais o catalisador . Eles foram publicados na edição internacional da Angewandte Chemie .

Digamos que você esteja jogando minigolfe. Há uma pequena colina no campo que a bola de golfe precisa superar para rolar para o buraco atrás dela. Para fazer isso, você precisa acertá-lo com força suficiente. Caso contrário, ele não passará por cima do obstáculo, mas rolará de volta em sua direção.

É semelhante para muitas reações químicas : para que elas ocorram, primeiro você deve fornecer energia suficiente. Um catalisador reduz essa energia de ativação . Para ficar na foto: Nivela um pouco a colina para que a bola precise de menos impulso para rolar sobre ela. A reação é, portanto, mais fácil e mais rápida. "Algumas reações só são possíveis pelo uso de catalisadores", explica o Prof. Dr. Andreas Gansäuer.

A pesquisadora trabalha no Instituto Kekulé de Química Orgânica e Bioquímica da Universidade de Bonn. Ele trabalha há anos em como simplificar a produção de certos compostos de carbono. O uso de catalisadores é geralmente o meio de escolha aqui. O problema: frequentemente, os aceleradores de reação consistem em metais raros e preciosos, como platina, paládio ou irídio.

"Geralmente usamos compostos de titânio", diz Gansäuer. “Isso ocorre porque o titânio é um dos elementos mais abundantes na crosta terrestre e também é completamente atóxico”. No entanto, os catalisadores à base de titânio muitas vezes ainda precisam de um companheiro para acelerar as reações químicas. Na maioria das vezes, isso também é um metal. Ele ativa o catalisador, (ao contrário do último) é consumido na reação e gera subprodutos como resíduos.

"Isso é caro e não muito sustentável", enfatiza o colega de Gansäuer, Prof. Dr. Peter Vöhringer, do Instituto Clausius de Química Física e Teórica da Universidade de Bonn. "No entanto, há algum tempo, há tentativas de obter essa ativação de uma maneira diferente: irradiando o catalisador com luz. Agora implementamos essa ideia. Ao mesmo tempo, filmamos, de certa forma, os processos que ocorrem durante a ativação e catálise”.

A " câmera de alta velocidade " usada pelos pesquisadores era um espectrômetro - este é um instrumento complexo que pode ser usado para determinar a aparência de uma molécula em um determinado ponto no tempo. Para que isso funcione, você também precisa de um flash. Para fazer isso, os pesquisadores usam um laser que liga e desliga continuamente.

Cada um dos momentos brilhantes dura apenas algumas centenas de femtossegundos (um femtossegundo é a milionésima parte de um bilionésimo de segundo). O processo de catálise é assim dividido em uma sequência de imagens individuais. "Isso nos permite visualizar processos ultrarrápidos", diz Vöhringer, especialista nesse método.

Nem todas as moléculas podem ser filmadas facilmente. "Portanto, tivemos que fazer algumas modificações no catalisador de titânio que costumamos usar", diz Gansäuer. Os experimentos mostram que o composto pode ser ativado pela luz e é então capaz de catalisar uma forma específica de reações redox. Nas reações redox , os elétrons são passados ??de um reagente para o outro. "Esse processo é facilitado pelo catalisador ativado", explica Gansäuer. "Isso nos permite, por exemplo, produzir compostos que servem como matéria-prima para muitas drogas importantes."

O "filme de alta velocidade" documenta exatamente o que acontece durante a ativação da luz. "Os elétrons se assemelham a uma agulha de bússola que aponta em uma determinada direção", diz Jonas Schmidt, que faz doutorado no grupo de pesquisa do professor Vöhringer. "Esta rotação muda como resultado da irradiação." Falando figurativamente, o composto de titânio torna-se assim "mais ávido" para aceitar um elétron. Quando isso acontece, inicia a reação redox.

"Graças aos insights que obtivemos com nosso método, agora podemos otimizar ainda mais o catalisador", explica Vöhringer, que, como o Prof. Gansäuer, é membro da área de pesquisa transdisciplinar da Universidade de Bonn.

Já é possível utilizá-lo para realizar reações químicas que antes eram dificilmente viáveis. O sucesso também é uma expressão de cooperação frutífera entre a química orgânica , por um lado, e o laser e a física molecular, por outro, Vöhringer diz: "Nosso estudo mostra os frutos que podem advir da colaboração entre dois grupos de pesquisa com origens metodológicas completamente diferentes".