Výměna vzácných kovů niklem

Lenka Švecová "Proč a jak je nutné recyklovat tzv. kritické kovy?" Oslavy 65 let VŠCHT (Smět 2019).

Anonim

Chemická syntéza může přeměnit komoditní chemikálie na komplexní léky na záchranu života, výrobky pro domácnost nebo pokročilé materiály. Ale tato "alchymie" může také produkovat obrovské množství toxického odpadu nebo vyžadovat drsné a nebezpečné podmínky - a často spoléhá na drahé a vzácné těžké kovy, aby vyvolaly reakce.

V nedávných zprávách v časopisech Dalton Transactions a v Journal of the American Chemical Society výzkumný tým Liviu Mirica, docent chemie ve vědeckých oborech Arts & Sciences, vyvinul nové metody pro vytváření stavebních bloků důležitých sloučenin společným kovovým niklem.

Práce rozšiřuje paletu nástrojů vědců pro chemii na bázi niklu a přispívá k pohybu "zelené chemie" směrem k 21. století udržitelné syntézy.

"Chemie je" ekologičtější "nebo ekologičtější, když jsou chemické transformace efektivnější, vyrábí se méně vedlejších produktů a nejdůležitější je, že proces syntézy vytváří méně odpadu, " uvedla Mirica.

K tomuto účelu jeho laboratoř zkoumá, jak elegantně vytvářet nové sloučeniny v co nejmenším počtu kroků a s udržitelnějšími katalyzátory, jako je nikl.

Používání kovů k chemii chemie husí

Spojením atomů uhlíku dohromady v nových kombinacích je základem organické chemie. Ale některé atomy uhlíku jsou velmi stabilní. Ty, které jsou například vázány na uhlík-vodíkový atom (CH), jsou považovány za nereaktivní a může být obtížné je vyzkoušet k vytvoření nové vazby uhlík-uhlík (CC). Takže chemici, jako je Wen Zhou, postdoctorální učenec, který je prvním autorem dvou nedávných zpráv, spoléhá na kovy, aby "aktivovali vazbu" a učinili to reaktivnější. Atom kovu, s jeho složitým a rozmanitým spektrem elektronů, může pomoci shufflu uhlíků kolem aby se nové sloučeniny.

Vzácné kovy palladium a platina byly používány po desetiletí z tohoto důvodu, ale jsou drahé. Nikl ve stejné chemické skupině by mohl být použit pro podobné reakce, pokud by byly jeho vlastnosti lépe chápány.

"Ukázalo se, že nikl je trochu reaktívnější než paladium, " řekla Mirica.

Tato vyšší reaktivita umožňuje rychlé a snadné provádění reakcí, ale vyžaduje pečlivou kontrolu chemie, aby nedošlo k produkci nežádoucích vedlejších produktů.

Čtyřnásobný chemický asistent

Vědeckým klíčovým vývojem bylo vytvoření nové čtyřbodové molekuly, známé jako tetradentátový ligand, který působí jako kapsa baseballové rukavice, aby uchopil atom niklu. Pokud se sloučeniny obsahující uhlík také váží do centra niklu, elektrony se mohou přeměnit, aby vytvořily novou CC vazbu.

"Tyto nové ligandy jsou schopny stabilizovat centrum niklu v různých oxidačních stavech a současně podporovat reaktivitu při rychlé tvorbě CC vazeb, " řekl Zhou.

Správná rovnováha stability a reaktivity umožnila vědcům vytvářet nové vazby s levnými, bezpečnými a bohatými nitrily - třídou sloučenin obsahujících uhlík, které mohou být v jednoduchých syntetických krocích přeměněny na celou řadu užitečných chemických skupin.

Nový ligand také dal vědcům možnost prozkoumat nikl (III), trochu chápaný "oxidační stav" niklu chybí tři elektrony (podle konvence, reakce, které odstraňují elektrony se nazývají oxidační reakce). Kombinace niklu (III) a nového ligandu podporovala reakci se dvěma uhlíky, v podstatě kondenzovala několik kroků do jednoho.

A konečná reakce proběhla během několika minut při pokojové teplotě, zatímco podobné reakce s jinými kovy mohou vyžadovat vysoké teploty, drsné podmínky po celé hodiny nebo dny.

Nicméně nový ligand vyvinutý vědci vyžaduje vlastní komplikovanou syntézu a specializované podmínky pro výrobu. Zhou se chce naučit, jak tento proces kondenzovat dále, do něčeho, co by mohlo být jeden den zvětšeno, a zároveň rozšiřovat typ nových vazeb, které mohou být podporovány niklem.

"Chceme zjednodušit systém, " řekl Zhou. "Tento ligand je poměrně velký a těžko syntetizovatelný, ale nám poskytl náhled na stabilizaci niklu (III) a nyní pracujeme na vývoji jednodušších systémů, které mohou provádět podobné reakce."

Doufám, že nikl by mohl nahradit vzácné a drahé těžké kovy, které se v chemickém průmyslu již několik let používají a výzkumné laboratoře jako Mirica.

"V minulosti lidé používali platinu pro katalyzování různých těžkých reakcí, ale je to velmi drahé, " řekl Zhou. Například jeho platinový svatební prsten cost více než 100 dolarů za gram.

"Pak lidé přešli na palladium - výborný katalyzátor pro velké množství chemických reakcí. Palladium však není ideální, protože je to také vzácný kov a nachází se v omezeném množství."

Když se míchal za minci na pět centů, řekl jí Zhou: "Pro nikl víte, jak je to levné."

menu
menu