Молекулярная природа наноразмерного оксидного катализатора
Каталитические системы на основе оксидов металлов активно применяются в промышленности и исследовательских лабораториях. В ходе механистических исследований было выявлено частичное растворение оксида металла с последующим образованием молекулярного комплекса, который и оказался активной формой катализатора. Таким образом, оксид металла не вовлечен напрямую в каталитический цикл, а является исходным реагентом для формирования гомогенной каталитической системы (
DOI: 10.1021/acscatal.6b00337).
Катализ имеет принципиальное значение для промышленного производства топлив, материалов, лекарств, а также огромного числа важнейших химических веществ. Около 80% всех промышленных процессов в современном мире используют продукты каталитических процессов или каталитические технологии. Оксиды металлов традиционно используются в этой области как гетерогенные катализаторы или как подложки для нанесения других активных систем. В случае, когда металлические оксиды непосредственно участвуют в каталитическом цикле, они выступают как активная фаза, и химическая реакция протекает на их поверхности. При использовании в качестве подложек, оксиды металлов применяются в роли стабильного материала, непосредственно не вступающего в химическую реакцию.
Недавнее исследование, проведенное группой В.Ананикова, было направлено на изучение реакции образования связи углерод-гетероатом, катализируемой наноразмерными оксидами меди. Для осуществления этого химического превращения используются наночастицы CuO и Cu 2O. В результате механистических исследований было обнаружено, что исходный оксид меди «эволюционирует» в ходе реакции. В процессе C-S кросс-сочетания наноразмерные оксиды меди превращались в растворимые металлические комплексы - тиоляты меди [Cu(SR)n] - при взаимодействия оксида меди с тиолами. Такой результат противоречит традиционному представлению, предполагающему, что реакция протекает на поверхности оксида металла. В работе показано, что гетерогенный путь не является основным и не вносит значительного вклада в процесс образования продукта, а активная форма катализатора получается в результате трансформации металлического оксида и перехода образовавшегося тиолята меди в раствор.
Рисунок 1. Криогенное микроскопическое исследование жидкой фазы реакции каталитического кросс-сочетания.
Оказалось, что исследованная в работе реакция кросс-сочетания протекает по гомогенному пути именно благодаря обнаруженному процессу растворения твердого наноразмерного оксида меди. Переход медных комплексов в раствор сопровождался выделением воды: Cu 2O + 2RSH = 2CuSR + H2O. Криогенная сканирующая электронная микроскопия зафиксировала образование сложной каталитической системы, образующейся в результате эволюции исходной формы наноразмерного оксида металла при протекании каталитической реакции (рисунок 1).
Такие превращения меняют общепринятую парадигму построения каталитических систем на основе металлических оксидов, как в качестве активной фазы, так и в качестве подложки. В первом случае, если оксид металла является активной фазой катализатора, переход комплексов в раствор принципиальным образом изменяет ход каталитического процесса. Во втором случае, если оксид металла используется как подложка, то его уже нельзя рассматривать как инертный материал и невозможно регенерировать в первоначальном состоянии.
Стабильность катализатора и его рециклизация – это основные характеристики, на которые влияют описанные превращения оксида металла. Знание механизма эволюции катализатора открывает новые возможности в создании высокоэффективных процессов получения химических веществ.
Статья: «Nature of the Copper-Oxide-Mediated C?S Cross-Coupling Reaction: Leaching of Catalytically Active Species from the Metal Oxide Surface», Yulia S. Panova, Alexey S. Kashin, Maxim G. Vorobev, Evgeniya S. Degtyareva, Valentine P. Ananikov опубликована в журнале ACS Catalysis (American Chemical Society).
Ссылка: ACS Catal., 2016, 6, 3637 – 3643.
Онлайн версия: http://dx.doi.org/10.1021/acscatal.6b00337
