Solid용 촉매 사용자 정의

May 29, 2023

홋카이도 대학의 화학자들과 화학 반응 설계 및 발견 연구소(WPI-ICReDD)는 고체 상태의 기계화학적 합성을 위해 특별히 설계되고 최적화된 최초의 고성능 촉매를 개발했습니다. 연구팀은 긴 고분자 분자를 금속 촉매에 부착함으로써 촉매를 유체상에 가두어 실온 근처에서 효율적인 반응성을 가능하게 한다는 사실을 발견했습니다.이 접근 방식은 보고된미국 화학 학회지(Journal of the American Chemical Society)에서는 화학 연구 및 산업 분야에 폭넓게 응용할 수 있다면 비용과 에너지를 절약할 수 있다고 발표했습니다.

화학적 합성 반응은 일반적으로 용해된 분자가 서로 섞이고 자유롭게 반응할 수 있는 용액에서 수행됩니다. 그러나 최근 몇 년 동안 화학자들은 고체 결정과 분말을 함께 분쇄하는 기계화학적 합성이라는 공정을 개발했습니다. 이 접근 방식은 위험한 용매의 사용을 줄이고 반응이 더 빠르고 낮은 온도에서 진행되어 에너지 비용을 절약할 수 있다는 점에서 유리합니다. 또한 사용 가능한 용매에 용해되기 어려운 화합물 간의 반응에도 사용할 수 있습니다.

그러나 고체 반응은 용액 기반 반응과는 매우 다른 환경에서 발생합니다. 이전 연구에서는 원래 용액에 사용하도록 설계된 팔라듐 착물 촉매가 고체 상태의 기계화학 반응에서 충분히 작동하지 않는 경우가 많으며 높은 반응 온도가 필요하다는 사실이 밝혀졌습니다. 고체 상태 반응에 변형되지 않은 팔라듐 촉매를 사용하면 팔라듐이 비활성 상태로 응집되는 경향으로 인해 효율성이 제한되었습니다. 팀은 응집의 기계화학적 문제를 극복하기 위한 촉매를 설계하는 새로운 방향으로 나아가기로 결정했습니다.

Hajime Ito 교수는 “우리는 특별히 고안된 포스핀 리간드를 통해 팔라듐을 폴리에틸렌 글리콜이라고 불리는 큰 고분자 분자에 연결하는 혁신적인 솔루션을 개발했습니다.”라고 설명합니다.

폴리에틸렌 글리콜 분자는 분자 수준의 유체상처럼 거동하는 고체 물질 사이에 영역을 형성하며, 여기서 기계적 화학적 스즈키-미야우라 교차 커플링 반응은 문제가 되는 팔라듐 응집 없이 훨씬 더 효율적으로 진행됩니다. 훨씬 더 높은 생성물 수율을 달성한 것 외에도 반응은 실온 근처에서 효과적으로 진행되었습니다. 이전에 가장 성능이 좋은 대안은 120°C까지 가열해야 했습니다. 유사한 교차 결합 반응이 연구 및 화학 산업에서 널리 사용됩니다.

Kubota 부교수는 "이것은 기계화학 반응의 독특한 환경에서 팔라듐 착물 촉매의 잠재력을 활용하기 위해 특별히 수정된 시스템의 첫 번째 시연입니다."라고 말했습니다.

그들은 이것이 다른 많은 반응과 주기율표의 전이 금속의 다른 원소를 사용하는 촉매에 적용될 수 있다고 믿습니다.

이 공정과 이와 유사한 다른 공정의 채택이 확대되면 결국 상업용 화학 공정에서 비용과 에너지 소비가 크게 절감되는 동시에 많은 유용한 화학 물질을 더욱 환경 친화적으로 대규모로 생산할 수 있습니다.

- 이 보도자료는 원래 홋카이도대학 홈페이지에 게재된 것입니다.