Kimya endüstrisi dünyadaki en büyük endüstrilerden biridir ve bize ilaç, tarım kimyasalları, malzeme ve daha fazlasını sağlamak için gereklidir. Her reaksiyon için reaktiflerin ve koşulların optimize edilmesine büyük özen gösterilmekte, verimlilik ve giderek daha fazla sürdürülebilirlik için çaba sarf edilmektedir.
Büyüyen bir sentez alanı, reaktiflerin mekanik kuvvet kullanılarak karıştırıldığı, daha az solvent kullanımıyla daha yeşil reaksiyonlar sağlayan ve çok çeşitli temel kimyasallara erişim sağlayan mekanokimyadır.
Tipik bir mekanokimya düzeneğinde reaktifler, karıştırma ve öğütmeyi mümkün kılmak için yüksek frekansta çalkalanan toplarla dolu bir kavanoza yerleştirilir.
Mekanokimyacılar genellikle bu katkı maddelerinin katalizörleri veya reaktifleri aktive etmeye yardımcı olduğuna inandıklarından, reaksiyon karışımına sıklıkla metal oksitler veya piezoelektrik malzemeler (mekanik stres altında elektriksel olarak polarize hale gelen malzemeler) gibi katı, çözünmeyen katkı maddeleri eklenir.
Bununla birlikte, bu tür bir metodolojinin önemli bir yönü çoğu zaman gözden kaçırılmıştır: katı reaktiflerin böyle bir kurulumda karıştırılması, genellikle paslanmaz çelikten yapılmış olan öğütme bilyalarının kaçınılmaz olarak aşınmasına neden olur.
Şimdi, yeni araştırma yayınlandı Angewandte Chemie mekanokimyasal kataliz süreçlerinde bu aşınmanın önemini ortaya koyuyor ve araştırmacıları varsayılan reaksiyon mekanizmalarını yeniden incelemeye teşvik ediyor.
Okinawa Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’nün (OIST) yeni çalışması, bir dizi yaygın katkı maddesinden kaynaklanan aşınmanın, mekanokimyasal koşullar altında verimli reaksiyonlara yol açabileceğini gösteriyor. Şaşırtıcı bir şekilde, tungsten karbür veya elmas tozu gibi tipik olarak kimyasal olarak reaktif olmadığı düşünülen aşındırıcılar bile verimli katalizör aktivasyonuna ve birleştirme reaksiyonlarına yol açtı.
OIST Koordinasyon Kimya ve Kataliz Birimi başkanı ve çalışmanın yazarı Profesör Julia Khusnutdinova şöyle diyor: “Bu araştırma, mekanokimyasal katalizörler hakkındaki düşüncelerimizi değiştiriyor. Mekanokimyasal reaksiyonları yönlendirmede hem kullandığımız katkı maddelerinin hem de ekipmanın kendisinin önemini vurguluyor ve reaksiyon mekanizmalarımızda rol oynayabilecek gizli etkileri dikkate almamıza yardımcı oluyor.”
Eziyete varmak
Ekip, birçok farklı ortak kimyasalın yapımında geniş uygulama alanı göz önüne alındığında, bu çalışma için bir model olarak çapraz bağlanma reaksiyonlarını kullandı. Paslanmaz çelik bilyeli, paslanmaz çelik bir kapta aynı malzemeleri ve koşulları kullanarak yüksek verimli bir reaksiyonun, seramik bilyeli seramik bir kapta nasıl başarısız olduğunu gösterdiler.
Bir dizi analiz tekniği kullanarak çeliğin aşındığını ve reaksiyon karışımına demir, krom ve diğer metallerin salındığını belirlediler. Aşındırılan metaller daha sonra reaksiyon karışımında bulunan stabil bir nikel ön katalizörünü aktive ederek onu katalitik olarak aktif bir türe dönüştürdü.
Katalizörü aktive etmek için kullanılan aşındırıcı katkı maddelerinin mikroskobik analizi, aşındırıcı katkı maddesinin ince parçacıklarının, öğütme bilyelerinden kazınmış ince bir paslanmaz çelik tabakası ile yerel olarak kaplandığını gösterdi.
İlk yazar Thomas Hasiweder, “Bu çalışma, araştırmacıları reaksiyon ekipmanları hakkında düşünmeye ve aşınmanın kimyasal reaksiyonlar üzerindeki etkisini dikkate almaya teşvik etmelidir” diyor. “Aşınmanın mekanokimyasal katalizde önemli bir rol oynayabileceğini kanıtladık.”
Katalizde yeni fırsatlar
Araştırma, mekanokimyasal mekanizmalardaki potansiyel gizli karmaşıklıklar konusunda uyarıda bulunurken, aynı zamanda bir dizi kimyasal reaksiyon için ucuz ve uygun kataliz fırsatı da sağlıyor.
Araştırmacıların gelecek planlarını tartışırken Prof. Khusnutdinova şunu belirtiyor: “Bu tür aşınmanın önemli olduğu reaksiyonların kapsamını keşfetmek istiyoruz. Bu bilgiyle, çok çeşitli mekanokimyasal sentezler için basit ve ucuz protokoller oluşturabilir, temel zirai kimyasallara, ilaçlara ve ötesine yeni yollar açabiliriz.”
